Fizyka jądrowa
Rozpady jąder,
promieniotwórczość, reakcje
rozszczepiania i syntezy jąder
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
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
Pressurized Water Reactor
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
