Jądro atomowe

historia, budowa i właściwości …

Spis treści

•

1 Historia

•

2 Fizyka jądra atomowego

– 2.1 Oznaczanie

– 2.2 Siły jądrowe

•

4 Jądra trwałe i nietrwałe

– 4.1 Przemiany jądrowe

•

5 Zastosowania praktyczne

– 5.1 Energetyka jądrowa

– 5.2 Broń jądrowa

– 5.3 Medycyna nuklearna

– 5.4 Diagnostyka medyczna

Historia

•

Istnienie jądra atomowego zostało pierwszy raz eksperymentalnie stwierdzone

przez fizyka E. Rutherforda w 1911 roku. Rutherford bombardował złotą folię

dodatnio naładowanymi cząstkami alfa. Badając rozkład kątowy promieniowania

rozproszonego na folii doszedł do wniosku, że cały dodatni ładunek i masa

atomu skupione są w bardzo niewielkiej objętości nazwanej później jądrem

atomowym.

Ernest Rutherford

Fizyka jądra atomowego

Oznaczenie

• Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem jak

pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru.

Dodatkowo,
na dole umieszcza się liczbę atomową

(Z - liczba protonów),

a u góry liczbę masową
(

A – suma protonów i neutronów

).

• Dla przykładu, jądro atomowe o 11

protonach i 13 neutronach jest
jądrem atomu sodu i oznaczamy je
symbolem:

Na

24

11

A

Z

X

p

p

n

n

e

e

Z - protonów

Z - elektronów

N=A-Z - neutronów

Podstawowe wiadomości

o budowie materii

Atom:

∅

~10

-8

m

Jądro:

∅

~10

-15

m

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

n

n

p

p

e

e

e

e

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

• nuklid

•izotop - Z=const, A

≠

•izobar - A=const, Z

≠

•izoton - N=const, A

≠

N

e

e

e

e

n

n

p

p

e

e

p

p

p

p

n

n

n

n

e

e

e

e

n

n

p

p

n

n

p

p

e

e

p

p

1

H

4

He

6

Li

p

p

e

e

n

n

p

p

e

e

n

n

n

n

2

H (D)

3

H (T)

1

1

1

2

239

Pu

238

U

92

235

U

92

94

izotop

iz

ot

on

izo

ba

r

elementarność...

1897 – elektron (J.J.Thomson)

1905 – foton (A.Einstein)

1911 – jądro (E.Rutherford)

1919 – proton (E.Rutherford)

1928 – pozyton (P.A.M.Dirac)

1931 – neutrino (W.Pauli)

1932 – neutron (J.Chadwick)

co jest elementarne?

10

-10

m

atom

10

-14

m

jądro

10

-15

m

nukleon

kwark

elektron

brak struktury!

Siły jądrowe

• Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie

elektryczne, którego efekty są równoważone przez oddziaływanie

silne między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na

bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder.

Przy

dłuższych odległościach przeważają siły odpychania

elektrycznego.

•

Jądra atomowe bada się analizując samorzutne rozpady oraz rozpraszając na

jądrach cząstki (promieniowanie gama, elektrony, neutrony, protony itp.), na

podstawie charakterystyki rozpraszania.

Empiryczne badanie reakcji jądrowych

pozyton

P.A.M.Dirac (1928) – relatywistyczne
równanie falowe

• spin

• moment magnetyczny

• oraz energia:

2

2

4

2

c

p

c

m

E

e

+

±

=

mc

2

-mc

2

0

cząstka
(elektron)

dziura
(pozyton)

Carl Anderson (1932)
– odkrycie w komorze
mgłowej z polem B

kreacja pary

foton

pozyton

elektron

h

ν

min

= 2m

e

c

2

≈

1.02 MeV

lawiny fotonowo-elektronowe

komorze pęcherzykowej

• Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania

między tworzącymi je nukleonami. Większość jąder atomowych o liczbie
atomowej od 1 (wodór) aż do

83

(bizmut) posiada trwałe izotopy.

• Cięższe pierwiastki zawsze są nietrwałe, jednak ich okresy półrozpadu są

tak duże, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków
jest posiadający liczbę atomową

94

pluton.

• Jeszcze cięższe pierwiastki nie występują na Ziemi, jednak można je

sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek.

Najcięższym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie atomowej

118

, o nazwie Ununoctium, który

jest "ostatnim możliwym" gazem szlachetnym i który został otrzymany w 1999 r. w liczbie kilkuset
atomów przez naukowców z Uniwersytetu Berkeley, w USA.

Jądra trwałe i nietrwałe

94

239

Pu

Przemiany jądrowe

•

Powstałe w naturze jądra atomowe podlegają przemianom zwanym przemianami

jądrowymi. Przemiany jądrowe mogą być samorzutne (jądra nietrwałe ulegają

rozpadowi) albo są inicjowane przez dostarczenie energii do jądra.

•

Jądro posiadające wyższą energię niż podstawowe jądro nazywa się jądrem

wzbudzonym. Jądro wzbudzone wracając do stanu równowagi emituje cząstki

α

,

β

, towarzyszy temu promieniowanie

γ

gdzie E – energia,

m – masa,

c – prędkość światła w próżni.

Własności promieniowania jądrowego

• Energia wydziela się w postaci promieniowania elektromagnetycznego

(gamma

−

γ

) oraz emisji cząstek (jąder helu -

α

, elektronów -

β

,

protonów, neutronów i neutrin) często o dużych energiach. Proces
rozpadu wielu jąder atomowych prowadzi do powstania promieniowania
jonizującego o dużym natężeniu.

• Przemiany jądrowe zapisuje się przez analogię do reakcji chemicznych

np.

Jądro atomu sodu o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 11

przechodzi w jądro atomu magnezu o liczbie masowej 24
i liczbie atomowej 12

przy czym zachodzi emisja elektronu (e-) oraz neutrina elektronowego (νe).

e

v

e

Mg

Na

+

+

→

_

24

12

24

11

Na

24

11

Mg

24

12

p

p

ν

e

n

n

e+

e+

p

p

p

p

p+p

→

2

H+e

+

+

ν

e

proces syntezy

proces rozszczepienia

∆

m

∆

m

E=

∆

mc

2

i co z niej wynika

i co z niej wynika

Energia wiązania

Reakcja termojądrowa, synteza
jądrowa – zjawisko polegające na
złączeniu się dwóch lżejszych jąder
w jedno cięższe, w wyniku fuzji
mogą powstawać obok nowych
jąder też wolne neutrony, protony,
cząstki elementarne i cząstki alfa.

Różne jądra atomowe mają różną
energię wiązania przypadającą na
nukleon. Największą energię
wiązania przypadającą na jeden
nukleon ma żelazo.

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie
jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku
towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne
ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami
ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty
powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar
neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony
natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem (neutrony opóźnione).

Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w
wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku zderzenia z
neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząstkami.

Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane
zderzeniem z neutronami (w energetyce i wojskowości; patrz też niżej).
Rozszczepienie samorzutne są istotne w metodach datowania radioizotopowego.
Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.

Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku
bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra
atomowego. Wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości
przekroju czynnego na rozszczepienie. Dlatego np. jądra (233U, 235U, 239Pu)
najłatwiej ulegają rozszczepieniu dla powolnych neutronów termicznych. Dla jąder
tych ciężkich pierwiastków, reakcja ta jest egzoenergetyczna) Na przykład:

Wiele innych jąder (np. 232Th, 238U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest
większa od energii progowej (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja
ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) następuje
skokowy wzrost wartości przekroju czynnego na rozszczepienie.

Pojedynczy akt rozszczepienia jądra
atomowego może w sprzyjających
warunkach indukować (poprzez emitowane
neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc
do reakcji łańcuchowej, co znalazło
zastosowanie w reaktorze jądrowym i
bombie atomowej.

Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności
rozszczepienia jąder, które ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu
neutronami o małej energii.

Wymuszone rozszczepienie atomu
uranu 235U, na skutek zderzenia z
neutronem. W wyniku rozpadu
powstają trzy nowe neutrony
zgodnie z reakcją

Prawo rozpadu naturalnego – to zależność określająca szybkość ubywania pierwotnej
masy substancji zbudowanej z jednego rodzaju cząstek, która ulega naturalnemu,
spontanicznemu rozpadowi.

Prawo to głosi, że jeśli prawdopodobieństwo rozpadu cząstek tworzących substancję jest
dla każdej z nich jednakowe i niezależne oraz nie zmienia się w czasie trwania procesu
rozpadu, to ubytek masy substancji w niewielkim odcinku czasu można wyrazić wzorem:

gdzie:
m - masa substancji ulegającej rozpadowi,
λ - stała rozpadu charakterystyczna dla danego izotopu lub substancji,
t - czas,
m0 - masa początkowa substancji w momencie t = 0
m(t) - masa substancji w czasie t.

We wzorze na prawo rozpadu zamiast stałej rozpadu λ używana jest wielkość
zwana średnim czasem życia

Stała rozpadu (λ) – liczba wyrażająca prawdopodobieństwo rozpadu jądra substancji
promieniotwórczej w jednostce czasu, będąca wielkością charakterystyczną dla tej
substancji.

Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) jest to czas, w ciągu
którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany
symbolem T1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność:

gdzie
N(t) – liczba obiektów pozostałych po czasie t,
N0 – początkowa liczba obiektów.

Pierwotnie czas ten dotyczył nietrwałych jąder atomowych pierwiastków
(promieniotwórczych). W tym przypadku po czasie połowicznego rozpadu aktywność
promieniotwórcza próbki zmniejsza się również o połowę. Okres połowicznego rozpadu
dotyczy również nietrwałych cząstek. Może być wyznaczony z wykładniczego charakteru
rozpadu, który w przypadku izotopów promieniotwórczych nosi nazwę prawa rozpadu
naturalnego.

Zastosowania praktyczne

Energetyka jądrowa

• Energetyka jądrowa pozwala na praktyczne wykorzystanie

procesu rozpadu jąder atomowych. Uwolniona energia
może służyć do rozgrzewania pary napędzającej turbiny. W
technice kosmicznej wykorzystuje się zasilacze izotopowe w
sondach kosmicznych badających zewnętrzne planety
Układu Słonecznego. Izotopy promieniotwórcze znalazły też
zastosowanie w czujnikach dymu.

Energetyka jądrowa

Broń jądrowa

• Zjawisko rozpadu jąder stosuje się

również w broni jądrowej, a zjawisko

syntezy

jądrowej

jest

podstawą

działania bomby wodorowej. Pierwszy

raz użyto broni jądrowej podczas II

wojny światowej. Dnia 6 sierpnia 1945

roku USA zrzuciły bombę atomową na

japońskie miasto Hiroshima. W ułamku

sekundy ponad 200-tysięczne miasto

zostało zmiecione z powierzchni Ziemi

Wybuch i jego

skutki

Hormeza radiacyjna – efekt małej dawki

Medycyna nuklearna

• W radioterapii wykorzystuje się promieniowanie wysyłane

przez

jądra

atomowe

do

niszczenia

komórek

nowotworowych. Przykładem mogą być bomby kobaltowe
wykorzystywane jako źródło promieniowania gamma.
Najnowsza

technika

radioterapii

opiera

się

na

akceleratorach cząstek.

• W Polsce, w Świerku niedaleko Warszawy, znajduje się

reaktor atomowy Maria, który pozwala na wytwarzanie
izotopów

promieniotwórczych

wykorzystywanych

w

medycynie.

•

tomografia komputerowa osiowa (ang. computed tomography,

CT

, computed axial

tomography,

CAT

),

•

tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości (ang. high resolution computed
tomography,

HRCT

),

•

spiralna tomografia komputerowa (ang. spiral computed tomography,

sCT

),

•

magnetyczny rezonans jądrowy (ang. nuclear magnetic resonance

NMR

, magnetic

resonanse imaging,

MRI

),

•

pozytonowa tomografia emisyjna (ang. positron emission tomography,

PET

).

•

Wykorzystanie wszystkich tych technik pozwala na szybkie i precyzyjne
diagnozowanie wielu poważnych uszkodzeń organów wewnętrznych. Obserwacja
fizjologii ludzkiego ciała przyczynia się też do postępu w badaniach nad
człowiekiem. Dzięki możliwości "podglądania" ludzkiego mózgu podczas pracy
naukowcy stają o krok bliżej do zrozumienia fenomenu inteligencji. Z wyjątkiem
magnetycznego rezonansu jądrowego każda z technik radiologicznych wiąże się z
napromieniowaniem pacjenta. Oznacza to, że w przypadku kumulacji dawki
promieniowania jonizującego mogą pojawić się skutki uboczne. Istnienie tych
skutków ubocznych nie może być bagatelizowane, ale

obecnie przeważa strach

przed każdym rodzajem promieniowania nawet w najmniejszych dawkach

, które są

używane w diagnostyce.

Najpopularniejsze metody diagnostyki medycznej oparte na technice jądrowej:

Fizyka

i medycyna

Promienie rentgenowskie

1895 rok

Zastosowanie promieni X

Cyfrowy aparat RTG

Tomograf CT

Izotopy dla medycyny

Pierwiastek

Promieniotwórczy

T

1/2

min

Typ

Rozp.

Energia

[keV]

131

J

11520

e

-

86

11

C

20.3

e

+

959

13

N

10.0

e

+

1197

15

O

2.0

e

+

1738

18

F

109.7

e

+

633

• Rozdzielczość ok. 2mm
• Grubość scynt. 6 mm

(opt. dla 140 keV)

• Scyntyl. CsI ( NaI)
• Przeznaczenie –

tomografia piersi,
medycyna nuklerarna

Gamma kamera 5”x5”

Tomograf

pozytonowy

Ciemna strona

•

Ubocznym skutkiem wykorzystania technologii nuklearnej
może się stać uwolnienie do środowiska naturalnego
substancji zawierających nietrwałe jądra czyli odpadów
promieniotwórczych, a wywołane nimi zanieczyszczenie
środowiska

to

skażenie

radioaktywne.

Skażenie

promieniotwórcze jest bardzo trudne do usunięcia, gdyż
izotopy promieniotwórcze danego pierwiastka, tylko bardzo
nieznacznie różnią się chemicznie i fizycznie od izotopów
trwałych. Podczas pracy reaktorów jądrowych powstają
bardzo radioaktywne odpady. Ich promieniowanie jest tak
silne, że bez chłodzenia rozgrzewają się one do bardzo
wysokiej temperatury. Odpady z elektrowni jądrowych trzeba
przez kilka lat przechowywać w pobliżu elektrowni, gdyż ich
transport jest zbyt niebezpieczny, następnie są w
specjalnych zakładach przetwarzane w celu odzyskania
cennych izotopów, aż w końcu zostają one złożone w
mogilniku, chroniącym środowisko przed ich wielkim
wpływem. Jest to trudny i kosztowny proces.

• Warto wiedzieć, że podczas budowy pierwszej broni jądrowej oraz przez

cały okres jej gromadzenia państwa posiadające głowice nuklearne
dokonywały wielu prób tej broni. Próby te polegały zwykle na detonacji
głowic próbnych w rozmaitych warunkach: wykonywano próbne
detonacje pod ziemią, na ziemi i w powietrzu oraz w stratosferze.
Ubocznym efektem tych prób było uwolnienie do środowiska olbrzymiej
ilości materiałów rozszczepialnych co znacząco podwyższyło tzw.
naturalne tło promieniowania. Miedzy innymi skażenie promieniotwórcze
wynikające np. z awarii w Czarnobylu stanowiło zaledwie 1% właśnie
tak podwyższonego tła promieniowania "naturalnego".

•Przetwarzanie odpadów radioaktywnych wywołuje w Europie bardzo

burzliwe protesty ruchów zielonych. Podczas przewozu kontenerów z

utylizowanym paliwem przez Niemcy więcej kosztuje organizacja kordonów

policji broniącej odpady przed ekologami niż sam transport. Pod koniec lat

80, w Polsce, w Żarnowcu budowano elektrownię jądrową. Jednak protesty

okolicznej ludności spowodowały zarzucenie projektu. Należy podkreślić, że

poprawnie przeprowadzony proces utylizacji odpadów radioaktywnych nie

powoduje skażenia środowiska. Więcej radioaktywnych odpadów wyrzucają

do otoczenia elektrownie węglowe niż jądrowe. Żużel z pieców zawiera

spore ilości pierwiastków radioaktywnych, a jest składowany na wolnym

powietrzu.

KONIEC 