Jądro atomowe
historia, budowa i właściwości …
Jądro atomowe
historia, budowa i właściwości …
Spis treści
•
•
•
•
•
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
• 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!
• 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.
94
239
Pu
•
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.
• 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.
• 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
• 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
•
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.
