background image

Fizyka jądrowa

‘

budowa jądra atomowego 

‘

przemiany promieniotwórcze

‘

reakcje jądrowe

 

Podstawowe pojęcia

‘

jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

– trwałe (stabilne)
– nietrwałe (promieniotwórcze)

‘

jądro składa się z nukleonów:

– protonów       

m

p

= 1.672·10

-27

kg

– neutronów  

m

n

= 1.674·10

-27

kg

‘

oznaczenie nuklidu

– liczba masowa (liczba nukleonów)
– liczba atomowa (protonów)
– liczba neutronów (A-Z

X

A

Z

He

4

2

A = 4
Z = 2
N = 2

 

Izotopy

‘

jądra atomów tego samego pierwiastka różniące 
się masą nazywamy izotopami

‘

izotopy mają jednakową liczbę protonów (
const.) zbliżone właściwości fizyczne i chemiczne

‘

izobary (= const.), izotony (= const.)

około 300 trwałych

ponad 1000 promieniotwórczych

 

background image

Mapa znanych nuklidów

liczba neutronów

jednakowa liczba protonów

liczba protonów

jedn

akow

a lic

zb

neu

tron

ów

 

Rozmiar jądra

(

)

3

1

15

10

2

1

A

M

R

×

≈ .

Promień jądra 

1 fermi = 1 fm = 10

-15

Objętość jądra jest wprost proporcjonalna do liczby masowej A

Masę jądra wyraża się w jednostkach masy atomowej u

1 u = 1,661

·

10

-27

kg         (1/12 masy atomu C)

Liczba masowa A nuklidu równa się masie atomowej wyrażonej w 
atomowych jednostkach masy i zaokrąglonej do liczby całkowitej

Jednostka masy atomowej jest równoważna energii 931,5 MeV

2

Mc

=

MeV

M

E

5

931,

=

 

Defekt masy

( )

2

2

2

Mc

mc

c

m

E

w

=

Δ

=

Masa M jądra jest mniejsza niż suma mas 

∑m tworzących je nukleonów

(

)

[

]

M

m

Z

A

Zm

M

m

m

n

p

+

=

=

Δ

defekt masy

Energię wiązania jądra określamy jako energię spoczynkową defektu masy

Energia wiązania jest wygodną miarą trwałości jądra, choć lepiej 
podawać energię wiązania przypadającą na jeden nukleon:

A

E

E

w

wn

=

Energią wiązania nukleonu nazywamy wielkość równą pracy potrzebnej 
na usunięcie danego nukleonu z jądra bez nadania mu energii kinetycznej. 

Całkowita energia wiązania jądra to praca potrzebna na rozłożenie jądra
na jego składowe nukleony bez nadania im energii kinetycznej.

 

background image

Energia wiązania jądra

Liczba nukleonów, A (liczba masowa)

E

ner

gia w

za

nia na

 jeden 

nu

kl

eon 

 (

M

eV)

synteza

rozszczepienie

•maksimum 8,7 MeV dla A = 60

•ostre maksima dla  A = 4, 8, 12, 16
jądra parzysto-parzyste

•duża stabilność jąder 
z magiczną liczbą nukleonów 
(N lub Z) = 2, 8, 20, 28, 50

 

Modele struktury jądra 
atomowego

Konieczność użycia modeli wynika z braku pełnej teorii 

oddziaływań silnych oraz potrzeby równoczesnego 

uwzględnienia oddziaływań wielu nukleonów. 

Kilkanaście modeli struktury jądra dzielimy na dwie 

podstawowe grupy:

‘

modele cząstek silnie skorelowanych (ruch jednego 

nukleonu jest ściśle skorelowany z ruchem innych)

– model kroplowy

‘

modele cząstek niezależnych (nukleony poruszają się 

niezależnie we wspólnym potencjale)

– model powłokowy

‘

model kolektywny

 

Model kroplowy

‘

wynika z dwóch faktów doświadczalnych

– stałej gęstości materii w jądrze
– prawie  stałej energii wiązania w przeliczeniu na jeden 

nukleon (około 8 MeV)

‘

obie powyższe własności są charakterystyczne dla cieczy –

gęstość i ciepło parowania są stałe, niezależne od objętości

‘

siły jądrowe są analogiem napięcia powierzchniowego

‘

jądro przypomina kroplę cieczy – jest kulą o promieniu A

1/3

‘

nukleony poruszają się w jądrze w sposób chaotyczny i nie 

mogą pozostawać w określonych stanach energetycznych

‘

dobrze opisuje rozpad 

α oraz rozszczepienie i syntezę jąder 

atomowych

 

background image

Model powłokowy

‘

zbudowany na wzór modelu atomu –nukleony poruszają 

się niezależnie od siebie w potencjale będącym wynikiem 

oddziaływania jednego nukleonu ze wszystkimi 

pozostałymi

‘

poszczególne nukleony mogą obsadzać kolejne poziomy 

energetyczne zgodnie z zakazem Pauliego

‘

ich stany własne określone są za pomocą 4 liczb 

kwantowych: radialnej n, orbitalnej l, magnetycznej m, 

spinowej s

‘

neutrony posiadają piątą liczbę kwantową – izospin, stąd 

oba rodzaje nukleonów tworzą własne powłoki o niewiele 

różniących się energiach

 

Liczby magiczne

V

R

R

r

-E

0

neutrony

protony

Dla jądra składającego się z wielu nukleonów głębokość studni dla 
neutronu wynosi około 40 MeV, dla protonów na skutek dodatkowego 
potencjału kulombowskiego studnia potencjału jest trochę podniesiona

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, ..

magiczne liczby 
nukleonów odpowiadają 
całkowicie zapełnionym 
powłokom jądra

Dowolny nuklid o Z lub N równym magicznej 
liczbie cechuje się szczególną stabilnością

He

4

2

O

16

8

Ca

40

20

Pb

208

82

nuklidy 
podwójnie 
magiczne

 

Siły jądrowe

‘

krótko-zasięgowe siły przyciągające (2·10

-15

m)

‘

niezależne od ładunku (protonu czy neutronu)

‘

występują pomiędzy najbliższymi nukleonami

‘

zależą od orientacji spinów oddziaływujących nukleonów

‘

mają charakter sił wymiennych – mezon  

π (pion)

‘

są konsekwencją oddziaływania silnego pomiędzy 

kwarkami – składnikami nukleonów

‘

znamy 6 kwarków i 6 antykwarków

‘

cząstką wymienną w 

oddziaływaniu 

kwarków jest gluon

+

+

π

n

p

+

π

p

n

o

p

p

π

+

o

n

n

π

+

neutron (udd) 

→ proton (uud) ⇔ d → u

 

background image

Cząstki, cząstki, cząstki

neutron

proton

elektron

gluon

mezon

foton

fermiony czy bozony?

pion

neutron

proton

mion

neutrino

elektron

hadron czy lepton?

neutrino

proton

elektron

antyneutrino

antyproton

pozyton

cząstka czy antycząstka?

kryteria podziału cząstek

zakaz Pauliego

spin połówkowy

silnie 

oddziałujące

podstawowy

składnik materii

uczestniczą w 

oddziaływaniach słabych

spin całkowity

dążą do kondensacji

w zetknięciu z materią 

ulega anihilacji

 

Przemiany jądrowe

‘

α - strumienia jąder helu

‘

β - strumienia elektronów

‘

γ - promieniowania     

elektromagnetycznego

Większość nuklidów to nuklidy promieniotwórcze. 
Jądra atomowe pierwiastków nietrwałych samorzutnie 
przekształcają się w jądra innych pierwiastków, czemu 
towarzyszy emisja różnego promieniowania:

 

Cechy przemian jądrowych

‘

promieniotwórczość naturalna i sztuczna

‘

statystyczny charakter promieniotwórczości -
prawo rozpadu promieniotwórczego

‘

spełnienie praw zachowania: ładunku, liczby 
nukleonów, energii i pędu

He

Y

X

A

Z

A

Z

4

2

4

2

+

e

Y

X

A

Z

A

Z

0

1

1

+

+

+

w przemianie 

α jądro pochodne ma liczbę 

masową i atomową mniejszą o 4 i 2 

w przemianie 

β liczba masową nie ulega 

zmianie, a liczba atomowa zmienia się o 1 

2

mc

Q

Δ

=

nazywamy energią reakcji lub rozpadu 
(ciepło reakcji)

 

background image

Promieniotwórczość naturalna

Zjawisko naturalnej promieniotwórczości zostało odkryte w związkach 
uranu w 1896 r. przez Henriego Becquerela. Na jego cześć jednostką 
aktywności próbki (szybkości rozpadu) jest bekerel

1 Bq = 1 rozpad na sekundę

Istotny wkład w odkrycie promieniotwórczości wnieśli Maria 
Skłodowska-Curie i Piotr Curie: odkrycie uranu 

238

U, polonu 

210

Po i 

radu 

226

Ra

(nagroda Nobla w 1903 r.)

He

Rn

Ra

4

2

222

86

226

88

+

Przykład rozpadu radu z powstaniem radonu i wydzieleniem cząstki 

α

 

Prawo rozpadu 
promieniotwórczego

( )

t

N

dt

dN

λ

=

λ

τ

1

=

( )

t

e

N

t

N

λ

=

0

dt

N

dN

λ

=

=

t

N

N

dt

N

dN

0

0

λ

t

N

N

λ

=

0

ln

Szybkość rozpadu jest proporcjonalna do liczby jąder N

gdzie 

λ to stała rozpadu

Stała rozpadu jest odwrotnością średniego 
czasu życia pierwiastka promieniotwórczego

N

0

N /2

0

N /4

0

N /8

0

N /16

0

0                T               2T              3T              4T

L

ic

zb

a

 a

to

m

ów

Czas

 

Czas połowicznego zaniku

Cztery rodziny (łańcuchy) 

promieniotwórcze        (T

1/2

) :

‘

toru

‘

uranu

‘

aktynu

‘

neptunu

(

)

2

1

0

0

2

/

exp

T

N

N

λ

=

2

2

2

1

ln

ln

/

τ

λ

=

=

T

po jakim czasie liczba 
jąder maleje do połowy

t

o

e

N

dt

dN

R

λ

λ

=

=

N

R

λ

=

Zamiast liczby jąder w próbce N 
podaje się szybkość rozpadu R 
zwaną aktywnością próbki

np. aktywność pręta paliwowego wynosi 10

15

Bq, tzn. że w 1 sekundzie 

rozpada się 10

15

jąder promieniotwórczych

)

,

(

lat

Pb

Th

10

208

82

232

90

10

4

1

)

,

(

lat

Pb

U

9

206

82

238

92

10

5

4

)

,

(

lat

Pb

Ac

8

207

82

235

89

10

1

7

)

,

(

lat

Bi

Np

6

209

83

237

93

10

2

2

wiek Ziemi 5·10

9

lat

 

background image

Różne rodzaje promieniowania

B

α

γ

β

-

β

+

qB

mv

=

 

Energia wyzwalana przez 1 kg 
materii

Rodzaj materii

Proces

Czas świecenia 

100W żarówki

woda

spadek wody z 50 m

5 s

węgiel

spalanie

8 h

wzbogacony UO

2

rozszczepienie w 
reaktorze

690 lat

235

U

całkowite rozszczepienie

3·10

lat

gorący gazowy deuter

całkowita synteza

3·10

lat

materia i antymateria

całkowita anihilacja

3·10

lat

Uwalnianiu energii w procesie spalania towarzyszy ubytek masy Q = -

Δmc

2

 

Reakcje jądrowe

‘

są to procesy oddziaływania jądra atomowego z innym 
jądrem lub cząstką elementarną

‘

pierwszą reakcję jądrową odkrył w 1919 r. Rutherford 
bombardując jądra azotu cząstkami 

α

‘

promieniowanie jądrowe powstałe podczas tych reakcji 
nazywamy promieniotwórczością sztuczną

‘

ogólny schemat reakcji jądrowej to:

– a  – cząstka wywołująca reakcję
– X  – jądro początkowe
– Y  – jądro produkt reakcji
– b  – cząstka powstała w wyniku reakcji

‘

uproszczony zapis X(a,b)Y   lub    (a,b) gdy tylko typ

H

O

He

N

1

1

17

8

4

2

14

7

+

+

Y

b

X

a

+

+

O

p

N

17

8

14

7

)

,

 

background image

Promieniotwórczość sztuczna

n

P

He

Al

1

0

30

15

4

2

27

13

+

+

e

e

Si

P

ν

+

+

0

1

30

14

30

15

n

N

He

B

1

0

13

7

4

2

10

5

+

+

e

e

C

N

ν

+

+

0

1

13

6

13

7

W 1934 r. Fryderyk i Irena Joliot-Curie przeprowadzili reakcje 
jądrowe, w których odkryli pierwiastki sztucznie promieniujące

T

1/2

= 2,5 min

T

1/2

= 10,1 min

substancje bombardowane (tarcze aluminium i boru) wysyłały 
promieniowanie nawet po usunięciu cząstek 

α

 

Reakcje rozszczepienia

Rozpad ciężkich jąder na dwie części jest korzystny 
energetycznie jednak nie może zajść samorzutnie

dokonuje się to metodą bombardowania izotopu uranu 
neutronami

U

235

92

7,6 MeV    

X

118

8,4 MeV

8,4-7,6=0,8 MeV 

⇒ 235×0,8 ≈ 200 MeV 

(wydzielona energia)

należy dostarczyć energię progową (aktywacji) aby 
nukleony mogły pokonać kulombowską barierę potencjału

Q

n

Kr

Ba

U

n

U

+

+

+

+

1

0

92

36

141

56

236

92

1

0

235

92

3

 

Przykłady reakcji rozszczepienia

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

W

yd

aj

n

ć 

n

je

dn

ro

zs

zc

ze

pi

en

ie

 (

%

)

Liczba atomowa

70        90      110     130       150

Q

n

Kr

Ba

U

n

U

+

+

+

+

1

0

92

36

141

56

236

92

1

0

235

92

3

Q

n

Sr

Xe

U

n

U

+

+

+

+

1

0

94

38

140

54

236

92

1

0

235

92

2

Jądro 

235

U absorbuje neutron 

termiczny i przekształca się w 
silnie wzbudzone jądro 

236

U, 

które ulega rozszczepieniu na 
dwa fragmenty zazwyczaj o 
różnych masach.

 

background image

Rozszczepienie wg modelu 
kroplowego

(a)

(b)

s

ΔV

V

Jądro

o symetrii

kulistej

Jądro

o symetrii

elipsoidalnej

Przewężenie

jądra

Rozszczepienie

jądra

E

 

Reakcje łańcuchowe

‘

wytwarzany neutron potencjalne 
wyzwala kolejne rozszczepienie

‘

w procesie rozszczepienia uranu 
powstaje średnio 2,5 neutronu

‘

zapewnienie masy krytycznej w 
celu ograniczenia ucieczki 
neutronów poza reaktor

‘

zastosowanie moderatorów – spo-
walniaczy neutronów H

2

O, grafit

‘

ograniczenie wychwytu 
neutronów przez 238U – budowa 
w formie przekładańca

‘

pręty sterujące – efektywnie 
pochłaniające neutrony

 

Reakcje syntezy

‘

Procesowi połączenia dwóch lekkich jąder w jedno większe 
towarzyszy wyzwolenie energii.

‘

połączeniu jąder przeciwdziała odpychanie kulombowskie, np. dla 
dwóch protonów U = 400 keV

‘

aby pokonać tą barierę zderzające się jądra atomowe muszą uzyskać 
odpowiednią energie kinetyczną:

– w akceleratorze
– podczas wybuchu bomby jądrowej
– w wyniku wysokiej temperatury (rzędu 10

7

K)

‘

energia kinetyczna odpowiadająca najbardziej prawdopodobnej 
prędkości oddziałujących cząstek E

k

=kT

‘

we wnętrzu Słońca kT = 1,3 eV, a mimo to zachodzi synteza 
termojądrowa:

(T = 1,5·10

7

K)

– występują cząstki o prędkościach większych od średnich
– cząstki o energii mniejszej od U mogą połączyć się dzięki  tunelowaniu