Oddziaływania w fizyce
-grawitacyjne: maja podstawowe znaczenie w ruchach planet, gwiazd i galaktyk, a takŜe w
takich zjawiskach ziemskich jak spadek swobodny. Oddziakywanie to moŜna opisac za
pomoca prawa powszechnego ciazenia Newtona:, F-sila jaka ciala o masach m1 i m2 dzialaja
na siebie z odleglosci r, G – stala grawitacyjna.
-elektromagnetyczne: odgrywa podstawowa role takich zjawiskach jak: procesy emisji i
absorpcji swiatla, sprezystosc, tarcie, wystepuje miedzy ladunkami elektrycznymi i
momentami magnetycznymi. Wyrazem oddzialywania elektromag. jest np. prawo Coulomba,
opisujace oddzialywanie elektrostatyczne dwoch ladunkow punktowych Q1 i Q2,
znajdujacych się w odleglosci r od siebie:, e0 – przenikalnosc elektryczna prozni.
Oddzialywanie elektromag. i grawit. sa dlugozasiegowe. Grawit. jest slabsze od elektromag. i
w mikroswiecie nie odgrywa zadnej roli
Oddzialywaniu elektromag. podlegaja wszystkie czastki obdarzone ladunkiem oraz foton.
Wedlug wspolczesnej teorii kwantowej oddzialywanie dwoch naladowanych czastek
wyobrazamy sobie jako wysylanie fotonow: pierwsza czastka pochlania fotony wysylane
przez druga czastke lub na odwrot
-silne(jadrowe): powoduje wiazanie nukleonow w trwale uklady – jadra atomowe oraz jest
odpowiedzialne za reakcje miedzy czastkami elementarnymi oraz wiele ich rozpadow,
oddzialywanie to jest krotkozasiegowe, rozciaga się na odleglosc rzedu 10-15 m. Uczestnicza
w nim bariony i mezony; oddzialywanie barionow polega na wzajemnym wysylaniu i
pochlanianiu mezonow
-slabe: sprawia ze jadra podlegaja spontanicznie przemianie b , ono tez jest odpowiedzialne
za rozpady wielu czastek elementarnych wystepujacych w przyrodzie i za niektóre reakcje
miedzy nimi, przypuszczalnie jest ono krotkozasiegowe i nie tworzy ono ukladow
zwiazanych. Oddzialywaniu temu podlegaja wszystkie czastki z wyjątkiem fotonow
Podział oddziaływań silnych
Odziaływania silne (siły jądrowe)
●przyciągające
●niezaleŜne ładunkowo (p-p, n-n, p-
●krótkozasięgowe (zasięg ok. 10-15
m
●niecentralne
●podlegające wysycaniu
Symbol chemiczny pierwiastka
Nuklid
Nuklid - w fizyce jądrowej, jądro atomowe o określonej liczbie nukleonów(protonów i
neutronów). Nuklidy moŜna podzielić na kilka grup:
Nuklidy posiadające tę samą liczbę protonów, a róŜniące się liczbą neutronów (ta sama liczba
atomowa i róŜne liczby masowe) to izotopy. RównieŜ atomy z takimi nuklidami (jako jądra)
nazywa się izotopami danego pierwiastka.
Nuklidy o tej samej liczbie neutronów to izotony.
Nuklidy o równej liczbie masowej (tej samej liczbie nukleonów w jądrze), lecz róŜniące się
ładunkiem (liczbą atomową), to izobary.
Nuklidy o identycznych liczbach masowych i ładunkach, ale róŜniące się stanem kwantowym
nazywane są izomerami jądrowymi.
W naturze występuje około 270 stabilnych i około 70 niestabilnych (radioaktywnych)
nuklidów, oprócz tego ponad tysiąc stworzono sztucznie.
Izotopy wodoru
Energia wiązania jądra atomowego
Energia wiązania jądra atomowego to róŜnica mas, tj. masa nukleonów tworzących jądro,
wziętych kaŜdy z osobna, i masy jądra, pomnoŜona przez c^2, gdzie c=3*10^8 m/s jest
prędkością światła w próŜni.
Wykres energii wiązania na nukleon od liczby nukleonów w jądrze, czyli od tzw. liczby
masowej A, jest krzywą która szybko narasta dla małych wartości A i stopniowo opada dla
duŜych A. Reakcja jądrowa przeprowadzane tak, aby uzyskać wyraźny wzrost energii
wiązania, mogą być obfitym źródłem energii jądrowej. Takie są reakcje syntezy lekkich jąder
(np. synteza helu), i reakcje rozpadu cięŜkich jąder (np. rozpad uranu). Te ostatnie reakcje
produkują jednak róŜnego rodzaju jądra niestabilne, których dalszy rozpad jest szkodliwy dla
otoczenia. Dobrym przykładem jest pierwsze stabilne jądro {}^2H.
Przemiana alfa
Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro
helu 42He2+). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadajace się jądra to
promieniowanie alfa.
Zapis reakcji rozpadu jądra atomu uranu-238 (238U):
lub:
W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4
od rozpadającego się jądra.
Spośród izotopów spotykanych w naturze wiele jąder naleŜących do łańcuchów uranowego
oraz torowego są emiterami cząstek α. Natomiast wśród ogółu jąder atomowych (takŜe
wytworzonych syntetycznie) rozpadowi α ulegają głównie jądra cięŜsze - powyŜej masy 200,
ale takŜe w wśród pierwiastków ziem rzadkich oraz wśród bardzo egzotycznych izotopów
cyny, telluru oraz ksenonu (okolice masy 100).
Emitowane cząstki mają zazwyczaj energię kinetyczną około 5 MeV, co odpowiada prędkości
15,000 km/s. W rozpadzie α, cząstka α formuje się juŜ w jądrze i jest odpychana siłami
elektrostatycznymi i przyciągana oddziaływaniami silnymi pozostałej części jądra. W
niewielkiej odległości od jądra siły przyciągania jądrowego przewaŜają, a w większej
przewaŜają siły odpychania. Cząstka α ma energię mniejszą od energii potrzebnej na
pokonanie sił przyciągania, ale dzięki kwantowemu zjawisku tunelowania przenika przez
wąską barierę potencjału.
Energia cząstek alfa emitowanych z danego atomu ma określoną wartość, poniewaŜ rozpad
jest dwuciałowy i prowadzi do określonych poziomów jądrowych w powstającym jądrze. Dla
niektórych jąder moŜliwy jest rozpad do kilku róŜnych poziomów, ale poniewaŜ kaŜdy z nich
ma ściśle określoną energię, więc i określone są energie cząstek alfa.
Rozpad α jest dość powszechnym zjawiskiem w przyrodzie, odpowiada za niemalŜe połowę
promieniotwórczości naturalnej skorupy ziemskiej.
Zjawisko rozpadu α jest między innymi wykorzystywane w konstrukcji czujników dymu, w
których rozpadające się jądra pierwiastka Ameryk-241, emitują cząstki α, które są
pochłaniane przez dym.
Przemiana beta
Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem
oddziaływania słabego. WyróŜniamy dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) oraz
rozpad β + (beta plus).
Rozpad β − polega na przemianie neutronu w proton poprzez emisję bozonu pośredniczącego
W − przez jeden z kwarków d neutronu. W − rozpada się następnie na elektron i antyneutrino
elektronowe według schematu:
Rozpadowi beta minus towarzyszy emisja promieniowania beta (elektronów),
promieniowania gamma i antyneutrin elektronowych.
Rozpad β + polega na przemianie protonu w neutron, jednak aby reakcja ta mogła zaistnieć,
konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Proton przemienia się w neutron poprzez
emisję bozonu W + , który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe według
równania:
Neutrino to cząstka elementarna, naleŜąca do leptonów (fermionów o spinie 1/2). Ma zerowy
ładunek elektryczny. Neutrina występują jako cząstki podstawowe w Modelu Standardowym.
Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, Ŝe neutrina mają niewielką,
bliską zeru masę. Powstają między innymi w wyniku rozpadu β + (beta plus), przykładowo:
Rodzaje neutrin
Istnieją 3 stany zapachowe neutrin:
neutrino elektronowe
neutrino mionowe
neutrino taonowe
Oddziaływania neutrin
Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Oddziałują
jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, Ŝe
obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie Ŝadnej przeszkody (przez Ziemię w
kaŜdej sekundzie przelatuje olbrzymia ilość neutrin słonecznych - tylko przez ciało
pojedynczego człowieka przenika ich około 50 bilionów na sekundę). Neutrina są
wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny na ten proces jest bardzo mały),
inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina
wychwytuje się w gigantycznych basenach z destylowaną wodą (bądź innymi substancjami)
umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.
Ostatnimi laty nastąpił olbrzymi rozwój fizyki neutrin dzięki takim eksperymentom jak
KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, DONUT i MINOS .
Źródła neutrin
Głównym źródłem neutrin na Ziemi są oddziaływania promieni kosmicznych w górnych
warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi).
Neutrina emitowane są takŜe przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze
źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.
Przemiana gamma
Emisja gamma jest to przemiana jądrowa podczas której emitowane jest tylko
promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest
opisany niŜej dwuetapowy rozpad kobaltu.
Najpierw 60Co przekształca się w 60Ni w wyniku przemiany beta:
Powstałe jądro niklu jest wzbudzone (ma energię większą od energii takiego jądra w stanie
podstawowym), po pewnym czasie jądro to emituje foton o duŜej energii (zwany
promieniowaniem gamma) przechodząc do stanu podstawowego:
Do emisji gamma dochodzi jeŜeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od
energii wiązania ostatniego nukleonu. JeŜeli energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa
od energii wiązania ostatniego nukleonu, to większość rozpadów jądra następuje przez emisję
nukleonu.
Promieniowanie gamma towarzyszy teŜ prawie kaŜdej przemianie jądrowej, ale przemiany te
nie są określane jako przemiany gamma. Badając energie i kierunki (pędy) składników
rozpadu moŜna określić czy rozpad odbywa się jednoetapowo, czy jest to kilka rozpadów.
Metoda radiowęglowa
Datowanie radiowęglowe to metoda badania wieku przedmiotów oparta na pomiarze
proporcji między izotopem promieniotwórczym węgla 14C a izotopami trwałymi 12C i 13C.
Metoda dostępna w wielu laboratoriach, równieŜ w Polsce, opracowana została przez
Willarda Libby i jego współpracowników w 1949. Libby otrzymał za tę pracę nagrodę Nobla
w dziedzinie chemii w 1960 roku.
Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa
(rzadziej na więcej) fragmenty o zbliŜonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów,
a takŜe kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. PoniewaŜ jądra ulegające
rozszczepieniu zwykle są jądrami cięŜkimi, które posiadają więcej neutronów niŜ protonów,
obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar
neutronów jest z nich emitowany wkrótce po procesie rozszczepienia, te zjawisko nosi nazwę
emisji neutronów opóźnionych.
Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W
tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku bombardowania neutronami, protonami,
kwantami gamma lub innymi cząsteczkami.
Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane
bombardowaniem neutronami (w energetyce i wojskowości; patrz teŜ niŜej). Do
istotniejszych zastosowań rozszczepień samorzutnych naleŜą metody datowania izotopowego.
Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.
Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną moŜliwością rozpadu. Konkurują
z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma,
emisja neutronu i inne.
Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku
bombardowania neutronami zaleŜy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego.
Ogólnie, wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości przekroju
czynnego na rozszczepienie. Niektóre jądra (233U, 235U, 239Pu) rozszczepiają się przy
dowolnej energii neutronów, w tym powolnych neutronów termicznych (są to jądra cięŜkich
pierwiastków, dla których reakcja ta jest egzoenergetyczna) Np. wg. reakcji:
Wiele innych jąder (np. 232Th, 238U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest większa od
energii progowej (są to jądra cięŜkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest
endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) następuje skokowy wzrost
wartości przekroju czynnego na rozszczepienie.
Wymuszone rozszczepienie atomu uranu 235U, poprzez zbombardowanie go neutronem. W
wyniku rozpadu powstaja trzy nowe neutrony wg. reakcji
Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego moŜe w sprzyjających warunkach
indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji
łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej (pośrednio
równieŜ bombie wodorowej i neutronowej ze względu na sposób inicjalizacji syntezy
jądrowej w tych bombach)
Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder,
które ulegają rozszczepieniu juŜ przy bombardowaniu neutronami o małej energii.
Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 r. Otto Hahn i Fritz Straßmann.
Elektrownia jądrowa – obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna),
wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z
rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego
w izotop U-235), w której ciepło konieczne do uzyskania pary, jest otrzymywane z reaktora
jądrowego.
Budowa elektrowni
Ogólna zasada działania elektrowni atomowej (na przykładzie obiegu PWR):
W reaktorze jądrowym w wyniku reakcji rozszczepienia jąder atomowych wydzielają się duŜe
ilości ciepła, które jest odbierane przez czynnik roboczy (najczęściej wodę pod wysokim
ciśnieniem w tak zwanym obiegu pierwotnym – reaktory PWR i WWER). Czynnik przepływa
do wytwornicy pary, gdzie oddaje ciepło wrzącej wodzie z obiegu wtórnego o niŜszym
ciśnieniu, a następnie powraca do reaktora. Para wodna (mokra) napędza następnie turbinę
parową połączoną z generatorem. Separacja obiegów zapewnia większe bezpieczeństwo w
przypadku wycieku pary z turbiny.
Schemat cieplny elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym. 1. Blok reaktora 2.
Komin chłodzący 3. Reaktor 4. Pręty kontrolne 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6.
Generator pary 7. Zbiornik paliwa 8. Turbina 9. Prądnica 10. Transformator 11. Skraplacz 12.
Stan gazowy 13. Stan ciekły 14. Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka 17. Układ
chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21. Pompa
Przemiany jądrowe to procesy zachodzące w jądrach atomowych. W ich wyniku powstają
jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego
samego izotopu w innym stanie energetycznym.
Naturalne przemiany jądrowe opisuje tabelka. Przemiany jądrowe mogą równieŜ być
wywołane sztucznie poprzez pobudzenie jądra atomowego np. spalacja. Taka pierwsza
sztuczna przemiana jądrowa została przeprowadzona po raz pierwszy w 1919 r. Dokonał tego
brytyjski fizyk i chemik Ernest Rutherford. Bombardował on azot cząstkami α (jądrami helu),
uzyskując w rezultacie jądra izotopu tlenu i protony (jądra wodoru):