OSIĄGNIĘCIA NAUKOWE
XX W.

*fizyka niskich temperatur
(nadprzewodnictwo, nadciekłość)

*fizyka jądrowa –
Energetyka, zastosowanie izotopów

chomikuj.pl/Majster19
42

NADPRZEWODNICTWO

FIZYKA NISKICH TEMPERATUR

Nadprzewodnictwo – stan materiału
polegający na zerowej rezystancji,
osiągany w niskiej temperaturze.

Nadprzewodnictwo zostało wykryte w 1911 przez Kamerlingha
Onnesa. Jest to zjawisko kwantowe, niemożliwe do wyjaśnienia
na gruncie fizyki klasycznej. Poza zerową rezystancją inną
ważną cechą nadprzewodników jest wypychanie ze swej
objętości pola magnetycznego (efekt Meissnera).
Nadprzewodnictwo było obserwowane w różnych materiałach:
niektórych pierwiastkach (na przykład w cynie, rtęci i ołowiu),
stopach, ceramikach tlenkowych czy materiałach organicznych.

Istotą powstania stanu
nadprzewodnictwa jest powstanie
par nośników ładunku (pary
Coopera). Pary takie mogą powstać w
wyniku łączenia się dwóch
elektronów posiadających energię
bliską energii Fermiego nawet wtedy,
gdy energia wiążącego je
oddziaływania jest bardzo mała.
Zmienia to właściwości elektryczne
materiału, gdyż pojedyncze nośniki
są fermionami, a pary bozonami.

Do opisu klasycznych nadprzewodników niskotemperaturowych stosuje się teorię BCS
opisującą oddziaływanie wiążące nośniki w wyniku odkształceń sieci krystalicznej. Na skutek
zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze pojawia się
sprzężenie pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci. Sprzężenie to
pozwala na "sparowanie" elektronów. W modelu BCS para Coopera to rodzaj wzbudzenia
elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią
krystaliczną, czyli wymianie fononów.

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera

łączą się nie elektrony, lecz dziury. Przewodnictwo dziurowe
wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju



Na podstawie różnych kryteriów można wydzielić różne
grupy nadprzewodników:



Ze względu na właściwości fizyczne



Ze względu na skład chemiczny i budowę



Ze względu na stosowaną metodę opisu



Ze względu na temperaturę przejścia w stan
nadprzewodnictwa

STRUMIEŃ MAGNETYCZNY
przenika przez trzy granice ziaren krystalicznych
cienkiej warstwy nadprzewodnika.
Obecność tzw. połówkowego kwantu
strumienia wskazuje na głębokie fizyczne
podstawy nadprzewodnictwa
wysokotemperaturowego, dzięki
któremu zostaną może kiedyś skonstruowane
lewitujące pociągi. Fotografia po prawej
stronie ukazuje magnes unoszący się nad
nadprzewodnikiem, który zawiera itr.

Nadciekłość -

stan materii

charakteryzujący się całkowitym zanikiem

lepkości

.

Materia w stanie nadciekłym, puszczona
w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym,
może w nim krążyć bez końca, bez
żadnego dodatkowego nakładu energii.

NADCIEKŁOŚĆ

Zjawisko

to zostało odkryte przez

Piotra Kapicę, Johna F Allena i

Dona

Misenera w

1937

r.

FIZYKA JĄDROWA



*energetyka



*zastosowanie izotopów

FIZYKA JĄDROWA



Fizyka jądrowa – dział fizyki zajmujący się
badaniem budowy i przemian jądra atomowego.
Zajmuje się badaniami doświadczalnymi,
teoretycznymi oraz zastosowaniem techniki
jądrowej.



Najbardziej powszechnie znane zastosowania fizyki
jądrowej to energetyka i broń jądrowa, jednak w
wyniku prowadzonych badań powstały inne
zastosowania tej dziedziny. Przykłady: medycyna –
obrazowanie rezonansu magnetycznego, inżynieria
materiałowa – implantowanie jonowe czy
archeologia – datowanie na podstawie zawartości
atomów radioaktywnych izotopów węgla.

ENERGETYKA JĄDROWA



Energetyka jądrowa – zespół zagadnień związanych z
uzyskiwaniem na skalę przemysłową energii z rozszczepienia
ciężkich jąder pierwiastków (głównie uranu 235).



Energię tę pozyskuje się głównie w wyniku rozszczepienia
jąder atomowych w reaktorach jądrowych w elektrowniach
jądrowych i na okrętach jądrowych. W niewielkim stopniu
wykorzystuje się energię rozpadów promieniotwórczych np.
w zasilaczach izotopowych Energetyka jądrowa obejmuje
również problemy związane z wydobyciem uranu, przeróbką
paliwa jądrowego oraz składowaniem odpadów jądrowych.

WADY ENERGETYKI JĄDROWEJ



Największe kontrowersje wokół energetyki jądrowej
związane są z kwestią powstawania, transportu i
składowania odpadów promieniotwórczych oraz kosztów
związanych z zamknięciem elektrowni i utylizacji tych
odpadów. Inną ważną kwestią jest rozprzestrzenianie broni
jądrowej związane z rozwojem energetyki jądrowej (np. Iran,
Korea Północna) oraz zamachy samobójcze, stanowiące nowy
wymiar zagrożenia dla instalacji atomowych. Kwestie
bezpieczeństwa działania pojawiają się przy okazji awarii i
wycieków, które w 2008 roku zdarzyły się w elektrowniach
na Słowenii, Węgrzech i we Francji. Warto dodać że te
wycieki miały miejsce w obiegu zamkniętym elektrowni i nie
spowodowały żadnego zanieczyszczenia środowiska
zewnętrznego. Pojawiają się także głosy wskazujące na
wyczerpywanie się złóż uranu, jednak najnowsze badania
dowodzą że jego zasoby starczą na co najmniej kilkaset lat.

ZALETY ENERGETYKI JĄDROWEJ



Największa zaletą energetyki jądrowej jest wysokie
bezpieczeństwo i brak emisji szkodliwych dla środowiska gazów
oraz pyłów. Energetyka jądrowa jest także najbardziej
skondensowanym źródłem energii obecnie wykorzystywanym
przez człowieka. Światowe zasoby materiałów rozszczepialnych
pozwalałyby na pokrycie wszelkich potrzeb energetycznych
ludzkości na wiele tysięcy lat. Zasoby tradycyjnych surowców
energetycznych są ograniczone, już obecnie podaż ropy
naftowej ledwo nadąża za popytem. Szacuje się, że najtańsze w
eksploatacji złoża ropy są na wyczerpaniu, a wysokie koszty
eksploatacji pozostałych sprawią, że już za kilkadziesiąt lat
paliwa będą bardzo drogie. Kwestia czasu wyczerpania
zasobów na świecie jest dyskusyjna. Tak zwane "Raporty
Rzymskie" przewidywały wyczerpanie zasobów do roku 1992,
ale nowe metody poszukiwania i eksploatacji odsunęły tę
granicę o co najmniej 20 lat!

ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW

§ zastosowanie jako znaczniki – wprowadza się je celowo do cząsteczek
chemicznych a następnie tak „oznakowane” cząsteczki wprowadza się do
organizmu, po czym dzięki detekcji emitowanego przez nie
promieniowania gamma ,śledzi się ich „poczynania”; umożliwia to
badanie procesów metabolicznych; najczęściej do tego typu celów
wykorzystywany jest izotop węgla 14C.

§ zastosowanie w radioterapii - stosowane jako źródła promieniowania
gamma do leczenia raka; można stosować je w formie bomb
naświetleniowych, czyli dużych próbek radioizotopu, które podczas emisji
promieniowania z zewnątrz zabijają komórki rakowe lub w formie
chemioterapii radiacyjnej polegającej na podawaniu związków
zawierających dużą ilość radioizotopu

§ zastosowanie do sterylizacji – wiąże się to z zastosowaniem jako źródło
promieniowania, służy jednak do szybkiej i bardzo wydajnej sterylizacji
sprzętu, leków i żywności; dzieje się tak dlatego, że silne
promieniowanie gamma jest zabójcze dla większości grzybów i bakterii
chorobotwórczych i gnilnych

STERYLIZACJA TCHÓRZOFRETKI 

§ zastosowanie w czujnikach – dymu – kiedy dym zakłóci wiązki
promieniowania izotopu, włączą się system przeciwpożarowy,lub
specjalistycznych czujnikach chemicznych wykrywających nawet śladowe
ilości metali ciężkich w wodzie;

§ zastosowanie w elektrowniach jądrowych
oraz do produkcji broni masowego rażenia

§ zastosowanie w zasilaczach
izotopowych np. w rozrusznikach serca

- chomikuj.pl/Majster1942

DZIEKUJE ZA UWAGĘ … 