ÿþF i z y k a j d r o w a
1
B u d o w a j d r a a t o m u
" J d r o a t o m o w e s k Ba d a s i z p r o t o n ó w i n e u t r o n ó w w i z a n y c h s i Ba m i
j d r o w y m i , n i e z a l e |n y m i o d Ba d u n k u .
" P o n i e w a | n e u t r o n i p r o t o n m a j p r a w i e t a k s a m m a s i b a r d z o
z b l i |o n e i n n e w Ba s n o [c i , w i c o b y d w a o k r e [l a s i w s p ó l n n a z w
n u k l e o n .
" N u k l i d y o t e j s a m e j l i c z b i e p r o t o n ó w , r ó |n i c e s i l i c z b n e u t r o n ó w
n a z y w a m y i z o t o p a m i .
" Ac z n a l i c z b a p r o t o n ó w i n e u t r o n ó w w j d r z e l i c z b a m a s o w a A j d r a .
" L i c z b a n e u t r o n ó w j e s t d a n a r ó w n a n i e m A - Z , ( Z j e s t l i c z b p r o t o n ó w
z w a n l i c z b a t o m o w ) .
" W a r t o [ l i c z b y A d l a j d r a a t o m o w e g o j e s t b a r d z o b l i s k a m a s i e
o d p o w i a d a j c e g o m u a t o m u .
" A t o m p i e r w i a s t k a X o l i c z b i e a t o m o w e j Z i l i c z b i e m a s o w e j A o z n a c z a m y
2
A
X
s y m b o l e m .
Z
1
P o m i a r y r o z p r a s z a n i a w y s o k o e n e r g e t y c z n y c h p r o t o n ó w l u b
n e u t r o n ó w n a j d r a c h a t o m o w y c h j d r a m a j k s z t a Bt k u l i s t y
[r e d n i p r o m i e D w s z y s t k i c h j d e r ( o p r ó c z
R = ( 1 . 2 Å"1 0 - 1 5 ) A 1 / 3 m
n a j m n i e j s z y c h )
J e d n o s t k i : P o n i e w a | r o z m i a r y j d e r i c z s t e k e l e m e n t a r n y c h s b a r d z o
m a Be d l a t e g o s t o s u j e m y j e d n o s t k f e m t o m e t r z w a n t e | f e r m i ( f m ) ; 1 f m =
1 0 - 1 5 m .
A A
N = = =
L i c z b a c z s t e k ( n a j e d n o s t k o b j t o [c i )
4 4
À R 3 À [ ( 1 . 2 Å"1 0 - 1 5 m ) A 1 3 ] 3
d l a j d r a o p r o m i e n i u R i l i c z b i e
3 3
m a s o w e j A
= 1 . 3 8 Å"1 0 4 4 n u k l e o n ó w / m 3
Á = N M = 2 . 3 Å"1 0 1 7 k g / m 3
g s t o [
M a s a p r o t o n u = m a s i e n e u t r o n u M = 1 . 6 7 · 1 0 - 2 7 k g .
3
O d d z i a By w a n i e n u k l e o n - n u k l e o n
S i Ba j d r o w a ( o d d z i a By w a n i e s i l n e ) w i |e n u k l e o n y w j d r a c h a t o m o w y c h
w i k s z a n i | s i Ba o d p y c h a n i a e l e k t r o s t a t y c z n e g o w y s t p u j c a p o m i d z y
p r o t o n a m i .
E n e r g i a p o t e n c j a l n a o d d z i a By w a n i a n u k l e o n n u k l e o n
w p o r ó w n a n i u z e n e r g i o d p y c h a n i a p r o t o n p r o t o n
O d d z i a By w a n i a p r o t o n - p r o t o n , p r o t o n - n e u t r o n i n e u t r o n - n e u t r o n s
i d e n t y c z n e i n a z y w a m y j e o d d z i a By w a n i a m i n u k l e o n - n u k l e o n .
4
2
E n e r g i a w i z a n i a
J e d n o s t k i
M a s a j e s t p o d a w a n a w j e d n o s t k a c h m a s y a t o m o w e j ( u ) . Z a w z o r z e c p r z y j m u j e s i
1 / 1 2 m a s y a t o m o w e j w g l a .
4
P r z y k Ba d : p o r ó w n u j e m y m a s a t o m u 2 H e z s u m m a s j e g o s k Ba d n i k ó w
4
M ( H e ) = 4 . 0 0 2 6 0 3 3 u
2
1 1
2 M ( H ) + 2 M ( n ) = 2 · 1 . 0 0 7 8 2 5 2 u + 2 · 1 . 0 0 8 6 6 5 4 u = 4 . 0 3 2 9 8 1 2 u
1 0
M a s a h e l u j e s t m n i e j s z a o d m a s y s k Ba d n i k ó w o 0 . 0 3 0 3 7 7 9 u
D l a k a |d e g o a t o m u j e g o m a s a j e s t m n i e j s z a o d m a s y s k Ba d n i k ó w o w i e l k o [ "M z w a n
n i e d o b o r e m m a s y l u b d e f e k t e m m a s y .
Z m n i e j s z e n i e o "E c a Bk o w i t e j e n e r g i i u k Ba d u ( E N E R G I A W I Z A N I A )
2
5
"E = "M c
M a s y a t o m o w e i e n e r g i e w i z a D m o |n a w y z n a c z y d o [w i a d c z a l n i e w o p a r c i u o
s p e k t r o s k o p i m a s o w i b i l a n s e n e r g i i w r e a k c j a c h j d r o w y c h .
Z A M a s a ( u ) "E ( M e V ) "E / A
1
n 0 1 1 . 0 0 8 6 6 5 4 - -
0
1
H 1 1 1 . 0 0 7 8 2 5 2 - -
1
4
H e 2 4 4 . 0 0 2 6 0 3 3 2 8 . 3 7 . 0 7
2
9
4 9 9 . 0 1 2 1 8 5 8 5 8 . 0 6 . 4 5
B e
4
1 2
6 1 2 1 2 . 0 0 0 0 0 0 0 9 2 . 2 7 . 6 8
C
6
1 6
O 8 1 6 1 5 . 9 9 4 9 1 5 1 2 7 . 5 7 . 9 7
8
6 3
C u 2 9 6 3 6 2 . 9 2 9 5 9 4 5 5 2 8 . 5 0
2 9
1 2 0
S n 5 0 1 2 0 1 1 9 . 9 0 2 1 1 0 2 0 8 . 0 2
5 0
1 8 4
W 7 4 1 8 4 1 8 3 . 9 5 1 0 1 4 7 6 8 . 0 2
7 4
2 3 8
U 9 2 2 3 8 2 3 8 . 0 5 0 7 6 1 8 0 3 7 . 5 8
9 2
6
3
S i By j d r o w e b a r d z o k r ó t k i z a s i g
g d y o d l e g Bo [ n u k l e o n - n u k l e o n > 2 . 5 · 1 0 - 1 5 m
t o o d d z i a By w a n i e s Ba b s z e .
n u k l e o n j e s t p r z y c i g a n y p r z e z
c o r a z w i k s z l i c z b s s i e d n i c h
n u k l e o n ó w
N a j s i l n i e j s w i z a n e n u k l e o n y w j d r a c h p i e r w i a s t k ó w z e [r o d k o w e j c z [c i u k Ba d u o k r e s o w e g o .
K r ó t k i z a s i g s i B j d r o w y c h w i e l k o [ "E / A n i e j e s t s t a Ba ! ! !
7
R o z p a d y j d r o w e
R o z p a d y j d r o w e z a c h o d z z a w s z e j e [l i j d r o o p e w n e j l i c z b i e n u k l e o n ó w
z n a j d z i e s i w s t a n i e e n e r g e t y c z n y m , n i e b d c y m n a j n i |s z y m m o |l i w y m d l a
u k Ba d u o t e j l i c z b i e n u k l e o n ó w .
J d r a n i e t r w a Be p o c h o d z e n i a n a t u r a l n e g o s n a z y w a n e p r o m i e n i o t w ó r c z y m i ,
a i c h r o z p a d y n o s z n a z w r o z p a d ó w p r o m i e n i o t w ó r c z y c h .
I n f o r m a c j e o j d r a c h a t o m o w y c h i c h b u d o w i e , s t a n a c h e n e r g e t y c z n y c h ,
o d d z i a By w a n i a c h ; r ó w n i e | z a s a d n i c z e i n f o r m a c j e o p o c h o d z e n i u W s z e c h [w i a t a .
Z n a n e s t r z y r o d z a j e p r o m i e n i o w a n i a :
" a l f a ( ± ) - j d r a h e l u ,
±
±
±
" b e t a ( ² - e l e k t r o n y l u b p o z y t o n y ,
²
²
² )
" g a m m a ( ³ ) - f o t o n y .
³
³
³
8
4
9
R o z p a d a l f a
R o z p a d a l f a p r z e m i a n a n i e s t a b i l n e g o j d r a w n o w e j d r o p r z y e m i s j i j d r a 4 H e t z n .
c z s t k i ± W y s t p u j e z a z w y c z a j w j d r a c h o Z e" 8 2 .
±.
±
±
D l a c i |k i c h j d e r e n e r g i a w i z a n i a
6 3
1 2
C u 1 2 0
8 C
n u k l e o n u m a l e j e z e w z r o s t e m l i c z b y 1 6 S n
4 1 8 4
O
H e W
2 3 8
U
m a s o w e j z m n i e j s z e n i e l i c z b y
9
B e
6
n u k l e o n ó w ( w w y n i k u w y p r o m i e n i o w a n i a 7
L i
c z s t k i ± p o w s t a n i e s i l n i e j
±
±
± )
4
z w i z a n e g o j d r a .
3
H
2
2
H
P r o c e s z a c h o d z i s a m o r z u t n i e b o j e s t
0
k o r z y s t n y e n e r g e t y c z n i e .
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0
L i c z b a m a s o w a A
E n e r g i a w y z w o l o n a w c z a s i e r o z p a d u ( e n e r g e t y c z n y r ó w n o w a |n i k n i e d o b o r u
m a s y ) j e s t u n o s z o n a p r z e z c z s t k ± w p o s t a c i e n e r g i i k i n e t y c z n e j .
±
±
±
2 3 8
P r z y k Ba d : U ’!2 3 4 T h + 4 H e + 4 . 2 M e V
9 2 9 0 2
1 0
5
"
E / A
R o z p a d b e t a
J e |e l i j d r o m a w i k s z o d o p t y m a l n e j l i c z b n e u t r o n ó w t o w j d r z e t a k i m
z a c h o d z i p r z e m i a n a n e u t r o n u w p r o t o n - r o z p a d b e t a ( m i n u s ) ²¯ .
½ - a n t y n e u t r i n o
n ’! p + e - + v
2 3 9
2 3 9
P r z y k Ba d : U ’!2 3 9 N p + e - + v
N p ’!2 3 9 P u + e - + v
9 2 9 3
9 3 9 4
G d y j d r o m a n a d m i a r p r o t o n ó w t o z a c h o d z i p r o c e s p r z e m i a n y p r o t o n u w n e u t r o n
- r o z p a d b e t a ( p l u s ) ² + .
½ - n e u t r i n o
p ’! n + e + + v
4 0
P r z y k Ba d :
K ’!4 0 A r + e + + v
1 9 1 8
P r o m i e n i o w a n i e g a m m a
R o z p a d o m a l f a i b e t a t o w a r z y s z y z a z w y c z a j e m i s j a w y s o k o e n e r g e t y c z n e g o
p r o m i e n i o w a n i a e l e k t r o m a g n e t y c z n e g o z w a n e g o p r o m i e n i o w a n i e m g a m m a ( ³
³
³
³ ) .
W i d m o p r o m i e n i o w a n i a ³ m a c h a r a k t e r l i n i o w y i b a r d z o w y s o k e n e r g i ( t y s i c e
³
³
³
l u b s e t k i t y s i e c y r a z y w i k s z o d e n e r g i i f o t o n ó w w y s y Ba n y c h p r z e z a t o m y ) .
1 1
P r a w o r o z p a d u n u k l i d ó w
E k s p e r y m e n t l i c z b a j d e r r o z p a d a j c y c h s i w j e d n o s t c e c z a s u j e s t
p r o p o r c j o n a l n a d o a k t u a l n e j l i c z b y j d e r N .
» - s t a Ba r o z p a d u
d N = - »N d t
d N
= - »d t
N
N ( t ) t
d N N ( t )
N ( t )
= - » t l n N ( t ) - l n N ( 0 ) = l n = - » t
= e - » t
+" +"d
N N ( 0 )
N ( 0 )
N ( 0 ) 0
N ( t ) = N ( 0 ) e - » t
N ( 0 ) j e s t l i c z b j d e r w c h w i l i t = 0 , a N ( t ) l i c z b j d e r p o c z a s i e t .
1 2
6
N m o |n a o p i s a p o p r z e z [r e d n i c z a s |y c i a j d e r t
1
N = N 0 e - t Ä
Ä =
»
C z a s p o Bo w i c z n e g o r o z p a d u ( z a n i k u ) T t o c z a s , p o k t ó r y m l i c z b a j d e r
d a n e g o r o d z a j u m a l e j e d o p o Bo w y :
1
- T Ä
T Ä
N = N e
2 = e
0 0
2
T = Ä l n 2 = 0 . 6 9 3 Ä
C z a s y p o Bo w i c z n e g o z a n i k u p i e r w i a s t k ó w l e | w b a r d z o s z e r o k i m
p r z e d z i a l e .
2 3 9
T = 4 . 5 · 1 0 9 l a t ( p o r ó w n y w a l n y z w i e k i e m Z i e m i ) ,
U
9 2
2 1 2
P o
T = 1 0 - 6 s .
8 4
1 3
D a t o w a n i e
Z n a j o m o [ c z a s u p o Bo w i c z n e g o r o z p a d u r o z p a d r a d i o n u k l i d ó w = z e g a r
P r z y k Ba d y :
4 0
K ’!4 0 A r + e + + v
" 1 9 1 8 z T = 1 . 2 5 x 1 0 9 l a t p o m i a r p r o p o r c j i 4 0 K / 4 0 A r w
2 3 5
s k a Ba c h p o z w a l a u s t a l i i c h w i e k . P o d o b n i e ( c y k l
U ’!2 0 7 P b
9 2 8 2
r o z p a d ó w ) . P o m i a r y m e t e o r y t ó w , s k a B z i e m s k i c h i k s i |y c o w y c h
w i e k Z i e m i o k o Bo 5 x 1 0 9 l a t
" K r ó t s z e o k r e s y c z a s u d a t o w a n i e r a d i o a k t y w n y m w g l e m 1 4 C ( T =
1 4
5 7 3 0 l a t )
C ’!1 7 N + e - + v
6 7
1 4
C p o w s t a j e w a t m o s f e r z e w w y n i k u b o m b a r d o w a n i e p r z e z
p r o m i e n i o w a n i e k o s m i c z n e a z o t u . 1 a t o m 1 4 C p r z y p a d a n a 1 0 1 3
a t o m ó w 1 2 C ( C O 2 ) w o r g a n i z m a c h |y w y c h r ó w n o w a g a i z o t o p o w a .
P o [m i e r c i w y m i a n a z a t m o s f e r u s t a j e i l o [ r a d i o a k t y w n e g o w g l a
m a l e j e ( r o z p a d ) o k r e [l e n i e w i e k u m a t e r i a Bó w p o c h o d z e n i a
1 4
b i o l o g i c z n e g o .
7
R e a k c j e j d r o w e
S i By j d r o w e b a r d z o k r ó t k i z a s i g
g d y o d l e g Bo [ n u k l e o n - n u k l e o n > 2 . 5 · 1 0 - 1 5 m
t o o d d z i a By w a n i e s Ba b s z e .
n u k l e o n j e s t p r z y c i g a n y p r z e z
c o r a z w i k s z l i c z b s s i e d n i c h
n u k l e o n ó w
Z j a w i s k a r o z s z c z e p i e n i a i s y n t e z y j d r o w e j
1 5
R e a k c j a r o z s z c z e p i e n i a
J e |e l i c i |k i e j d r o r o z d z i e l i m y n a d w i e c z [c i d w a m n i e j s z e j d r a s
s i l n i e j w i z a n e o d j d r a w y j [c i o w e g o t e d w i e c z [c i m a j m a s m n i e j s z
n i | m a s a j d r a w y j [c i o w e g o .
W r e a k c j i r o z s z c z e p i e n i a w y d z i e l a s i e n e r g i a .
yr ó d Bo e n e r g i i r e a k t o r a j d r o w e g o
S p o n t a n i c z n e r o z s z c z e p i e n i e n a t u r a l n e g o j d r a j e s t n a o g ó B m n i e j
p r a w d o p o d o b n e n i | r o z p a d ± t e g o j d r a .
±
±
±
M o |n a j e d n a k z w i k s z y p r a w d o p o d o b i e Ds t w o r o z s z c z e p i e n i a
b o m b a r d u j c j d r a n e u t r o n a m i o o d p o w i e d n i o w y s o k i e j e n e r g i i . T a k i e
2 3 5
2 3 9
U
n e u t r o n y p o w o d u j r e a k c j e r o z s z c z e p i e n i a u r a n u i p l u t o n u .
P u
9 2
9 4
1 6
8
2 3 5
U + n ’!2 3 6 U ’!1 4 0 X e + 9 4 S r + 2 n
t y p o w a r e a k c j a r o z c z e p i e n i a : 9 2 9 2 5 4 3 8
W r e a k c j i r o z s z c z e p i e n i a p o w s t a j e n a
o g ó B k i l k a n e u t r o n ó w .
R o z s z c z e p i e n i e j d r o w e m o |e s t a s i
p r o c e s e m s a m o p o d t r z y m u j c y m ( r e a k c j a
Ba Dc u c h o w a ) . I l o [ m a t e r i a Bu p o w y |e j , k t ó r e j t o
n a s t e p u j e n a z y w a m y m a s k r y t y c z n .
J e |e l i l i c z b a r o z s z c z e p i e D n a j e d n o s t k c z a s u j e s t
u t r z y m y w a n a n a s t a By m p o z i o m i e t o m a m y d o
c z y n i e n i a z k o n t r o l o w a n r e a k c j Ba Dc u c h o w ( E .
F e r m i , U n i w e r s y t e t C h i c a g o , 1 9 4 2 r . ) .
M a s a m a t e r i a Bu r o z s z c z e p i a n e g o m o |e b y
n a d k r y t y c z n a .
M a m y d o c z y n i e n i a z l a w i n o w r e a k c j Ba Dc u c h o w .
1 7
R e a k t o r j d r o w y
G r u d z i e D 1 9 4 2 u r u c h o m i e n i e p i e r w s z e g o r e a k t o r a ( E . F e r m i )
1 0 0 0 t e r m i c z n y c h n e u t r o n ó w 1 3 3 0 n e u t r o n ó w w p a l i w i e 2 3 5 U i 4 0 w 2 3 8 U .
3 7 0 d o d a t k o w y c h n e u t r o n ó w j e s t t r a c o n y c h w r e a k t o r z e a l e p o w s t a n i u k a |d e g o t o w a r z y s z y
e n e r g i a w y d z i e l a n a w r e a k t o r z e .
1 8
9
E l e k t r o w n i a j d r o w a
1 . B l o k r e a k t o r a 2 . K o m i n c h Bo d z c y 3 . R e a k t o r 4 . P r t y k o n t r o l n e 5 . Z b i o r n i k w y r ó w n a w c z y c i [n i e n i a
6 . G e n e r a t o r p a r y 7 . Z b i o r n i k p a l i w a 8 . T u r b i n a 9 . P r d n i c a 1 0 . T r a n s f o r m a t o r 1 1 . S k r a p l a c z 1 2 . S t a n
g a z o w y 1 3 . S t a n c i e k By 1 4 . P o w i e t r z e 1 5 . W i l g o t n e p o w i e t r z e 1 6 . R z e k a 1 7 . U k Ba d c h Bo d z e n i a 1 8 . I o b i e g
1 9 . I I o b i e g 2 0 . P a r a w o d n a 2 1 . P o m p a
1 9
R e a k c j a s y n t e z y j d r o w e j
M a s a d w ó c h l e k k i c h j d e r > m a s a j d r a p o w s t a j c e g o p o i c h p o Bc z e n i u .
W y d z i e l a s i e n e r g i a z w i z a n a z r ó |n i c m a s .
M e t o d a w y d a j n i e j s z a o d r o z s z c z e p i a n i a j d e r u r a n u ; d y s p o n u j e m y
n i e o g r a n i c z o n y m zr ó d Be m d e u t e r u w w o d z i e m ó r z i o c e a n ó w .
P r z e s z k o d a o d p y c h a n i e k u l o m b o w s k i e p r o t o n y t r z e b a z b l i |y n a 2 · 1 0 - 1 5 m
R e a k c j a j e s t m o |l i w a w t e m p e r a t u r z e o k o Bo 5 · 1 0 7 K .
R e a k c j e , k t ó r e w y m a g a j t a k i c h t e m p e r a t u r n a z y w a m y r e a k c j a m i t e r m o j d r o w y m i
2 0
1 0
C y k l w o d o r o w y
M a s a j d r a h e l u s t a n o w i 9 9 . 3 % m a s y c z t e r e c h p r o t o n ó w w y d z i e l a s i e n e r g i a
z w i z a n a z r ó |n i c m a s .
2 1
I T E R r e a k t o r t e r m o j d r o w y w b u d o w i e
I n t e r n a t i o n a l T h e r m o n u c l e a r E x p e r i m e n t a l R e a c t o r
2 2
w p o b l i |u M a r s y l i i , n a p o Bu d n i u F r a n c j i ( k o s z t 1 0 m i l i a r d ó w ¬ )
1 1
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