Fizyka jądrowa

Doświadczenie

Rutherforda (1911)

Budowa jądra atomowego

Budowa jądra atomowego

• Jądro atomowe składa się z

nukleonów

:

protonów

i

neutronów

;

• Liczba masowa

A

= liczba

nukleonów

;

• Liczba atomowa lub porządkowa

Z

= liczba

protonów

;

• Liczba

neutronów N

= A – Z;

• Proton ma ładunek dodatni i masę:

• Neutron nie ma ładunku elektrycznego i ma

masę:

C

e

19

10

6

,

1







kg

m

p

27

10

672

,

1







kg

m

n

27

10

674

,

1







Budowa jądra atomowego

• Kombinacja określonej liczby protonów i

neutronów -

nuklid

.

• Zapis:

np.

• Nuklidy o tej samej liczbie

Z – izotopy

;

• Nuklidy o tej samej liczbie

A – izobary

;

• Nuklidy o tej samej liczbie

N – izotony

.

X

A

Z

U

238

92

Budowa jądra atomowego

• Jądro atomowe jest

dużo

mniejsze od

atomu:

• Masa jądra:
• Gęstość materii jądrowej:





3

1

15

10

7

,

1

3

,

1

A

m

R

j









a

j

m

m 

a

j

R

R

5

10





3

18

10

m

kg

j





Siły jądrowe

• Jądro utrzymuje się w całości dzięki

siłom jądrowym

;

• Siły jądrowe mają bardzo

krótki

zasięg

→ małe rozmiary jąder;

• Oddziałują ze sobą tylko najbliższe

nukleony;

• Siły jądrowe nie zależą od ładunków

nukleonów;

• Neutrony pełnią rolę „kleju” – czym

jądro większe, tym więcej neutronów.

Modele jądrowe

• Model kroplowy

:

oddziaływanie pomiędzy

nukleonami jest silne, że

ich ruchy są skorelowane;

jądro traktuje się jak kroplę

cieczy.

• Model powłokowy

: nukleon

oddziałuje z wypadkowym

polem potencjalnym.

Oba modele nie tłumaczą

wszystkich efektów, tylko niektóre

np. model powłokowy istnienie jąder

magicznych.

Energia wiązania jądra

• Dokładny pomiar mas atomowych

spektrometrem masowym → bilans masy
jądra:

• ∆m –

defekt masy

;

• Z Einsteina:
• E

w

–

energia wiązania jądra

; średnio na

jeden nukleon:









0

, 











Z

A

M

m

Z

A

Zm

m

n

p

w

E

mc

E









2

MeV

A

E

w

8

7



Energia wiązania jądra

Systematyka nuklidów

Systematyka nuklidów

•Pierwiastki o parzystej liczbie protonów – więcej
izotopów niż te o nieparzystej;

•87% masy Ziemi – jądra parzysto-parzyste;
•Udział neutronów rośnie wraz ze wzrostem A;
•Wyjątkowo trwałe są jądra magiczne (2, 8, 20, 28,
50, 82, 126, 152).

Systematyka nuklidów

Promieniotwórczość

Promieniotwórczość
naturalna została odkryta
przez Bequerela (1896) i
małżeństwo Curie (1898)
w rudach uranu (polon i
rad).

Promieniotwórczość

• Można zaobserwować trzy rodzaje

promieniowania:

• -

jądra He

• -

elektrony

• -

fale elektromagnetyczne

• Naturalne izotopy długożyciowe:

238

U

(4,5·10

9

l),

40

K (1,3·10

9

l);

• Naturalne izotopy krótkożyciowe

wytworzone przez promieniowanie
kosmiczne:

3

H (12,3 l),

14

C (5730 l).







Rozpad



•Jądro macierzyste emituje jądro He;
•Zachodzi dla ciężkich pierwiastków (od
Bi), które mają zbyt dużo protonów, aby
być stabilne;

•Cząstka



przenika barierę potencjału

kulombowskiego jądra w

efekcie

tunelowym

;

•Energię przemiany unoszą produkty;
•Przykład:

He

Y

X

A

Z

A

Z

4

2

4

2









He

Th

U

4

2

234

90

238

92





Rozpad





~

0

1

1

1

1

0









e

p

n









e

n

p

0

1

1

0

1

1

e

Y

X

A

Z

A

Z

0

1

1









•Dwa rodzaje przemian w jądrze



+

i



-

:

•Przykłady:

•Hipoteza

neutrina

(Pauli 1930) – żeby spełnić

zasadę zachowania energii i pędu w rozpadzie .

Neutrina zostały odkryte w reaktorze jądrowym w
1956 r.









e

Ne

Na

0

1

22

10

22

11



~

0

1

60

28

60

27









e

Ni

Co

Przemiana







 X

X

A

Z

A

Z

*

•

Po rozpadzie  i  jądra

pozostają w stanie
wzbudzonym – aby
pozbyć się nadmiaru
energii emitują

promieniowanie



.

• Średnie czasy życia
stanów wzbudzonych: 10

-

12

– 10

5

s.

Prawo rozpadu

promieniotwórczego

Liczba rozpadających się jąder jest

proporcjonalna do ich liczby:

Prawo rozpadu promieniotwórczego:



- stała rozpadu

N

dt

dN















t

N

N

dt

N

dN

0

0



t

e

N

N







0

Prawo rozpadu

promieniotwórczego

Czas połowicznego
rozpadu T

1/2

– czas po

którym rozpadnie się
połowa początkowej
liczby jąder N

0

/2:

Czas życia jąder

:





693

,

0

2

ln

2

1





T

2

1

2

1

44

,

1

2

ln

T

T







Prawo rozpadu

promieniotwórczego

Aktywność

– liczba rozpadów w jednostce czasu

(jednostką jest bekerel):

Aktywność izotopów obecnych w człowieku:

t

e

N

N

dt

dN

A















0

Reakcje jądrowe

↑

Przemiana jąder na skutek oddziaływania

cząstek z jądrami:

• Źródło neutronów:
• Reakcja egzoenergetyczna:

• Sztuczna promieniotwórczość:

n

C

He

Be

1

0

12

6

4

2

9

4







Zawsze musi być spełniona zasada zachowania

ładunku i liczby nukleonów!

MeV

n

He

H

H

6

,

17

1

0

4

2

2

1

3

1











0

0

110

47

1

0

109

47







Ag

n

Ag

Rozszczepienie

•Hahn i Strassman (1938)
– U może się „zmieniać” w
Ba;

•Frish i Meitner – U po
przyłączeniu neutronu
tworzy wiele pierwiastków;

•Przykładowa reakcja:

MeV

n

La

Br

U

n

U

200

2

1

0

146

57

88

35

236

92

1

0

235

92













Neutrony otrzymane w wyniku rozszczepienia

mogą być wykorzystane do

reakcji

łańcuchowej

.

MeV

e

n

Xe

Mo

U

n

U

200

4

2

0

1

1

0

136

54

98

42

236

92

1

0

235

92

















Reakcja łańcuchowa

Reakcja łańcuchowa

• Zbyt mała masa próbki – neurony

wylatują na zewnątrz i nie ma reakcji

łańcuchowej;

• Jeżeli masa próbki jest równa

masie

krytycznej

(dla 43 kg) – reakcja

łańcuchowa ze stałą prędkością (

reaktor

jądrowy

);

• dla mas większych niż krytyczna –

lawinowa reakcja łańcuchowa z

wydzieleniem ogromnych ilości energii

(

bomba atomowa

).

U

235

92

Reaktor jądrowy

• Paliwo jądrowe

- wzbogacony

(0,7-3,5%).

• Moderator

(H

2

O, D

2

O, grafit) –

pozwala na wychwyt neutronów.

• Reaktory służą do:

U

235

92

U

238

92

–produkcji energii
(17% energii na

świecie);
–badań naukowych;
–produkcji sztucznych
izotopów (np. dla

medycyny).

Synteza jądrowa

• Synteza jądrowa – egzoenergetyczna reakcja

łączenia jąder lekkich pierwiastków w cięższe:

• Źródło energii Słońca, na Ziemi – problem z

utrzymaniem wysokotemperaturowej plazmy

w jednej części;

• Użyta w bombie termojądrowej;
• Porównanie energii

otrzymanej z 1kg substancji

:

MeV

n

He

H

H

6

,

17

1

0

4

2

3

1

2

1









Cząstki elementarne

Odkryto kilkaset cząstek

„elementarnych”, obserwując

ich oddziaływanie z materią.

Siły natury

Kwarki, leptony, bozony

pośredniczące





Klasyfikacja cząstek

• Leptony

(bez struktury): elektrony,

miony i taony.

• Hadrony

(zbudowane z kwarków):

– mezony, np. piony i kaony;
– bariony np. nukleony.

• Cząstki pośredniczące

: foton, gluony,

W i Z, grawiton.