Fizyka jądrowa

Rozpady jąder,

promieniotwórczość, reakcje

rozszczepiania i syntezy jąder

Co trzyma w całości atom i

dlaczego nie rozpada się jądro?

p

p 14 N

Odpychanie el.stat.
protonów w jądrze

Rodzaje

oddziaływań

Oddziaływanie

Względna
wartość

Cząstki
przenoszące
oddziaływanie

Występowanie

Jądrowe silne ~1

8 gluonów

Jądra
atomów

Elektromagnety
czne

~10

-3

Fotony

Warstwy
atomów, urządz.
elektr.

Jądrowe słabe

~10

-5

Bozony

Rozpady
radioaktywne

Grawitacyjne

~10

-38

Grawitony(?)

Ciała niebieskie

Rozmiary jąder - eksperymenty

Rutherforda

Mikroskop

Złota
folia

Ekran
fluorescencyjny

Próbka
polonu

Blok z
ołowiu

Do czego przydała się tu mechanika klasyczna (prawo Newtona)?

Masy jąder - spektrograf masowy

Źródło

Czy jądro (atomu) można zważyć?

Stanford Linear Accelerator

Laboratory (SLAC) in California

We wnętrzu akceleratora

Komora pęcherzykowa

Energia wiązania w atomie i w jądrze

1 eV=10

-19

J

Energia
jonizacji

Energia
rozpadu

I.D. pierwiastka (jądra)

X

A

Z

Liczba masowa

(protony + neutrony)

Liczba atomowa

(protony)

A jednak się rozpada…

promieniotwórczość naturalna

Tor
Rad
Radon
Polon
Ołów

Przemiany jąder – szeregi promieniotwórcze

Trwały izotop
Pb

Czasy rozpadu
wewnątrz prostokątów
dotyczą wszystkich
możliwych ścieżek

Układ okresowy pierwiastków

Dlaczego (jądro się rozpada) ?

2

mc

E



s

/

m

10

3

c

8

2





Co „siedzi” w masie jądra?









p

o

E

E

E

Masy
składników

Energia
oddziaływania
składników

Energia
przyciągających
się nukleonów:

ujemna!

2

c

E

m



Defekt (niedobór) masy

 

 

 

n

m

)

Z

A

(

H

m

Z

X

m

1

0

1
1

A

Z











 

neutronu

protonu

A

Z

m

)

Z

A

(

m

Z

X

m











 

X

m

m

)

Z

A

(

m

Z

m

A

Z

neutronu

protonu















Energia
na nukleon
w MeV

Energia odziaływania na jeden

nukleon….

(-)

Energia wiązania na nukleon

Energia

wiąz

ania

na

nuk

leon

w MeV

Liczba masowa A

Zysk przy
syntezie

Kiedy reakcja jądrowa może przynieść zysk energetyczny?

Zysk przy
rozszczepieniu

Średnia liczba
masowa produktów
rozpadu









p

o

E

E

E

Dlaczego przy naturalnych rozpadach nie

obserwuje się emisji pojedynczych

nukleonów?

M eV

38

.

1787

M eV

5

.

1792

238

M eV

51

.

7

239

M eV

5

.

7

neutron

238

Uran

..

???

..

239

Neptun

)

1

A

(

E

)

A

(

E

b

b















Odp.:

b

o

E

E

E







Dlaczego nie obserwuje się emisji cząstek

lżejszych niż jądro helu (

cząstka

α

)?

)

3

(

E

)

3

A

(

E

)

A

(

E

)

2

(

E

)

2

A

(

E

)

A

(

E

b

b

b

b

b

b













)

4

(

E

)

4

A

(

E

)

A

(

E

b

b

b







Dla

A>140

zachodzi relacja:

Podobnie:

b

o

E

E

E







Dlaczego pierwiastki o A>140

jeszcze się nie rozpadły?

r

e

2

)

2

Z

(

)

4

(

E

)

4

(

E

)

4

A

(

E

)

4

A

(

E

)

A

(

E

)

A

(

E

2

b

0

b

0

b

0





















r

e

2

)

2

Z

(

)

4

(

E

)

4

A

(

E

)

A

(

E

2

b

b

b

















czyli:

Dodatnia (!) energia
kulombowskiego odpychania
jądra (A-4) i cząstki alfa

Nierówność ta spełniona jest dopiero dla r większych od pewnej granicznej
wartości r(A)

Siła Coulomba „hamulcem” rozpadów

Kulombowska bariera

Reakcje (przemiany) jądrowe można

wymuszać - rozszczepienie uranu 235

powolny
neutron

Jedn.

Energia
z 1 kg
uranu

1 Jednostka to energia
zużywana na rok przez
obywatela USA

Jeden z możliwych
podziałów

Prawie to samo, ale inaczej

pokazane…

powolny
neutron o
energii ~1eV

niestabilny
izotop U-236
(oscylacje)

promienie
gamma

neutrony mogące
zapoczątkować
reakcję łańcuchową

215 MeV
energii

Zysk energii z rozpadu

Produkty

rozpadu U235

Liczba masowa A

Zy

sk

procen

to

w

y

%

Jest i ciąg dalszy…

Produkty

rozpadu U235

Liczba masowa A

Zy

sk

procen

to

w

y

%

Stabilny

Stabilny

Reakcja łańcuchowa

• Neutrony termiczne
• Kontrolowana reakcja łańcuchowa
• Lawinowa reakcja łańcuchowa
• Masa krytyczna
• Bomba atomowa i reaktor jądrowy

Cut away of a

Magnox nuclear

reactor

graphite moderator

boron control rod

heat exchanger

fuel element channel

steel

concrete

hot gas

reactor core

cold gas

charge face

B-10 + neutron

Li-7 + alpha + energy

Elektrownia atomowa

How Nuclear Power Acts

Pressurized Water Reactor

Boilling Water Reactor

Control the Nuclear Power Plant (Demonstration)

Liquid-Metal Fast-Breeder Reactor

Synteza deuter + tryt

Rozpędzone
cząsteczki

Zysk energii
z 1kg paliwa to
676 Jednostek

Porównanie!

Rozpędzone
cząsteczki

Powolny
neutron

Zysk energii
z 1kg paliwa to
676 Jednostek

176 Jednostek

676 Jednostek

Rozszczepienie

Synteza

Proton-Proton Chain Collision