Modele reakcji jÄ…drowych
" Reakcje wprost
Wstęp do fizyki jądrowej
Fizyka medyczna " Reakcje z utworzeniem jądra złożonego
WykÅ‚ad 7  oddziaÅ‚ywanie Ä…, ², Å‚
z materiÄ…, detektory.
Kontakt: pok. 415, IVp, tel.1308
e-mail: [e-mail]
1 2
Model reakcji przez jÄ…dro
Model reakcji wprost
złożone
Reakcja
strippingu (d,p)
Compound
nucleus
Reakcja
poderwania pick-
up  odwrotna
(p,d)
3 4
Model reakcji przez jÄ…dro
złożone
5 6
Rozszczepienie jadra (uranu) Reakcje rozszczepienia
7 8
9 10
Reakcja rozszczepienia
Proces rozszczepienia ciężkiego jądra można wyjaśnić na podstawie modelu
kroplowego jÄ…dra.
Przed rozdzieleniem się na dwie części jądro przechodzi przez pośrednie etapy
zniekształceń: jądro o symetrii kulistej zmienia początkowo swój kształt na elipsoidalny,
następnie ulega przewężeniu i po osiągnięciu stanu krytycznego rozpada się na dwie
części. Zwiększenie powierzchni wskutek zniekształceń powoduje wzrost energii napięcia
powierzchniowego jÄ…dra oraz nieznaczne zmniejszenie energii odpychania
kulombowskiego (ponieważ ładunki przemieszczają się na niewielką odległość),
i przeciwdziałają tym odkształceniom.
11 12
Reakcja rozszczepienia Rozszczepienie jÄ…der uranu
" Reakcję rozszczepienia po raz pierwszy przeprowadził E. Fermii w 1934 r. Zauważył,
" JÄ…dra uranu 235U po wychwycie neutronu termicznego:
że uran napromieniowany przez neutrony daje produkty radioaktywne o kilku
okresach połowicznego zaniku.
 część jąder (około 85 %) ulega przemianie na silnie
" W 1939 r. Hahn i Strassmann wykazali, że napromieniowanie uranu prowadzi do
wzbudzone jądro 236U, które dzieli się natychmiast:
pojawienia się pierwiastków chemicznych ze środka układu okresowego. Następnie
Frisch i Meitner podali wyjaśnienie tego zjawiska jako rozszczepienie jądra na dwa
235 1 236 1
( )
jÄ…dra ze Å›rodkowej części ukÅ‚adu okresowego pierwiastków. PrzykÅ‚ady reakcji U+0n U A1F1+A2F2 + ½0n
92 92 Z1 Z2
rozszczepienia są przytoczone poniżej:
 część jąder (około 15%) przekształca się w jądra
236
U, które są emiterami cząstek ą:
235 1
U+0n236U + Å‚
92 92
gdzie Q jest energiÄ… jÄ…drowÄ… (200 MeV), wydzielajÄ…cÄ… siÄ™ w jednym akcie
rozszczepienia jednego jÄ…dra uranu.
13 14
Rozszczepienie jąder uranu Szeregi izobarów
² ² ² ²
140
Xe Ż#Ż#140Cs Ż#Ż#140Ba Ż#Ż#140La Ż#Ż#140Ce (trwały)
57 58
54 55 56
13,5 sek 64 sek 12,8 dni 40 h
" Neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia jądra 235U:
 2-3, wylatuje z dużą prędkością,
94
Sr Å»#² 94Y Å»#² 94 Zr (trwaÅ‚y)
Å»# Å»#
 pozostałe przyłączają się do jąder powstałych lekkich 38 39 40
94 sek 19 min
jąder-fragmentów
" Powstałe lekkie jądra pierwiastków mają nadmiar
² ² ² ²
137
Te Ż#Ż#137I Ż#Ż#137Xe Ż#Ż#137Cs Ż#Ż#137Ba (trwały)
55 56
52 53 54
neutronów
3,5 sek 64 sek 3,8 min 30,1 lat
 ulegajÄ… samorzutnie przemianie ²-
² ²
97 97 97
 powstają szeregi izobarów.
Zr Ż#Ż# Nb Ż#Ż# Mo (trwały)
40 41 42
16,8 h 74 min
15 16
Reakcje łańcuchowe. Reaktor
Reaktor jÄ…drowy
atomowy
" Najmniejsza masa, w której jest możliwe rozwinięcie reakcji łańcuchowej
nazywa się masą krytyczną. W celu zmniejszenia strat neutronów i zmniejszenia
" Zjawisko rozszczepienia jąder uzyskało ogromne
masy krytycznej, materiał rozszczepialny otacza się reflektorem neutronów. Reflektor
znaczenie praktyczne dzięki możliwości wykorzystania go
stanowiÄ… substancje stosowane na moderatory takie jak: H2O, D2O, grafit, beryl czy
do produkcji energii. Możliwość ta wiąże się z
zwiÄ…zki berylu.
występowaniem tzw. reakcji łańcuchowej.
" Urządzenia w których przeprowadza się kontrolowane łańcuchowe reakcje
" W procesie rozszczepienia uranu powstaje średnio 2.5
rozszczepienia, nazywajÄ… siÄ™ reaktorami jÄ…drowymi lub atomowymi. Pierwszy
nowego neutronu. Jeżeli średnio więcej niż jeden z nich
reaktor jądrowy zbudowany został pod kierunkiem E. Fermiego w Chicago w 1942 r.
wywoła dalsze rozszczepienia, to liczba powstających
neutronów i rozszczepionych jąder będzie się samorzutnie
zwiększać. Uran naturalny posiada 0.7% izotopu U-235;
resztÄ™ stanowi izotop U-238. Uran U-238 rozszczepia siÄ™
tylko pod wpływem neutronów szybkich, natomiast U-235
może rozszczepiać się pod wpływem neutronów o dowolnej
energii.
" Neutrony powstajÄ…ce po rozszczepieniu charakteryzujÄ… siÄ™
energią niższą od energii progowej rozszczepienia U-238
co powoduje, że neutrony te będą silnie pochłaniane przez
U-238 nie prowadzÄ…c do reakcji rozszczepienia. Wynika
z tego konieczność wzbogacania masy rozszczepialnej
o U-235 i zastosowanie moderatorów (spowalniaczy)
17 18
neutronów.
Reakcje termonuklearne
" Reakcja termojÄ…drowa, synteza
jÄ…drowa lub fuzja jÄ…drowa 
zjawisko polegające na złączeniu się
dwóch lżejszych jąder w jedno
cięższe, w wyniku fuzji mogą
powstawać obok nowych jąder też
wolne neutrony, protony, czÄ…stki
elementarne i czÄ…stki alfa.
" Gdyby proces syntezy mógł być
wykorzystywany do produkcji energii
mielibyśmy metodę sześć razy
wydajniejszą niż rozszczepienie
uranu. Poza tym mamy do dyspozycji
niemal nieograniczone i niedrogie
z
ródło deuteru w wodzie mórz i
oceanów, znacznie łatwiej dostępne
niż z
ródła materiałów do reakcji
rozszczepienia.
19 20
" Procesy syntezy pierwiastków są realizowane we Wszechświecie. Stanowią one
Jako paliwo termojądrowe można wykorzystać szereg substancji.
główne z
ródło energii gwiazd; ich temperatura jest rzędu 107 K. Taka temperatura
jest warunkiem zajścia reakcji termonuklearnych, tj. reakcji syntezy jąder. Cząstki
dodatnie charakteryzujÄ… siÄ™ wysokÄ… energiÄ… kinetycznÄ… wystarczajÄ…cÄ… do pokonania
sił kulombowskiego odpychania umożliwiając przez to ich zbliżenie na odległość
działania sił przyciągania jądrowego. Słońce w 80% składa się z wodoru a swoją
energię zawdzięcza reakcjom termonuklearnym przebiegającym w zamkniętym cyklu
reakcji.
" Z chwilÄ… zrealizowania w warunkach ziemskich produkcji energii w wyniku
rozszczepienia ciężkich jąder, zaczęto zastanawiać się nad możliwością uzyskania w
tych warunkach produkcji energii w reakcjach termojÄ…drowych z lekkimi
PROBLEM
pierwiastkami. Pierwsze praktyczne wykorzystanie tych wysiłków nastąpiło w tzw.
bombie wodorowej. Bardzo wysokie temperatury osiągane przy wybuchu zwykłej
bomby atomowej stworzyły warunki konieczne do uzyskania reakcji termojądrowej.
Bomba atomowa jest więc zapalnikiem dla przebiegających również wybuchowo
reakcji syntezy.
" Poszukuje się rozwiązań przeprowadzenia reakcji termojądrowych w sposób
kontrolowany, dzięki czemu energia ta mogłaby być wykorzystywana do celów
pokojowych.
21 22
W arsenałach broni nuklearnej USA i
Rosji znajduje się około 20 30 tysięcy
pocisków z głowicami jądrowymi
różnego typu. W całym świecie jest ich
około 50 tysięcy, a ich moc jest
wystarczajÄ…ca aby wielokrotnie
zniszczyćżycie na Ziemi.
23 24
25 26
1) Co rejestrujemy?
" CzÄ…stki Ä…
" Elektrony (promieniowanie ²)
" Fotony (promieniowanie Å‚)
" Protony, neutrony, miony& itd.
Detektory promieniowania
Obiekty bardzo małe, - np. cząstka ą jest
jonizujÄ…cego
tyle razy mniejsza od ziarnka piasku, ile
razy ziarnko piasku jest mniejsze od
Ziemi.
27 28
3. Po co to robimy?
2. Co chcemy wiedzieć?
" Ile było cząstek?
" Tomografia PET  badania medyczne,
" Jakie to były cząstki?
" Badanie skażeń radioaktywnych wokół instalacji
" Jakie miały energie?
jÄ…drowych,
" W jakim kierunku leciały?
" Badania z fizyki jÄ…drowej i czÄ…stek
elementarnych.
29 30
Własności ogólne detekcji cząstek I Własności ogólne detekcji cząstek II
31 32
Procesy fizyczne zachodzÄ…ce podczas
Własności ogólne detekcji cząstek III
detekcji cząstek naładowanych
" Rozróżniamy dwa typy oddziaływań ze względu na straty
energii cząstki przechodzącej przez ośrodek materialny
oraz ze względu na zmiany liczby cząstek wchodzących
do ośrodka w postaci skolimowanej wiązki
monoenergetycznej:
1. Oddziaływania, w których cząstka traci niewielką część
swojej energii w każdym elementarnym akcie
oddziaływania i nieznacznie zmienia swój kierunek.
2. Oddziaływania, w których cząstka traci znaczną część
swojej energii w każdym elementarnym akcie
oddziaływania i istotnie zmienia swój kierunek tak, ze
przestaje należeć do początkowej wiązki cząstek.
33 34
Ciężkie cząstki naładowane
Procesy fizyczne zachodzÄ…ce podczas
(protony, czÄ…stki alfa)
detekcji cząstek naładowanych
" Zasięg  zależy od energii cząstek oraz
właściwości absorbującego materiału.
" Typ 1: procesy jonizacji atomów i cząsteczek
Jest to graniczna odległość, poza którą cząstki
ośrodka wywołane przejściem cząstki naładowanej
nie mogą penetrować dalszych warstw
" Typ 2: oddziaływanie elektronów (kierunek ruchu,
materiału.
osłabienie wiązki), ale też podlegają procesom
" Strata energii (dE) na jednostkÄ™ drogi (dx) 
Typu 1 gdyż jonizują ośrodek
formuła Bethego (wielkości charakteryzujące
ośrodek)
dE
- = f (v, z)
Rezultatem procesów oddziaływania cząstek z ośrodkiem
dx
jest stopniowe zmniejszanie energii czÄ…stek i dekolimacja
pierwotnej wiÄ…zki.
35 36
37 38
Ciężkie cząstki naładowane
Prędkie elektrony
(protony, czÄ…stki alfa)
" Zmiana straty energii
na jednostkÄ™ drogi
wzdłuż toru cząstki 
krzywa Braga
" Dla czÄ…stki alfa o
energii ok. kilku MeV:
" Strata energii następuje skokowo, a tor różni się od linii prostej i może
ulegać wielokrotnemu zakrzywieniu.
" Elektron może tracić energię również w procesach radiacyjnych - emisja
promieniowania elektromagnetycznego i utrata energii kinetycznej przez
przyspieszony Å‚adunek elektryczny.
39 40
Promieniowanie gamma
" Oddziaływanie promieniowania ł z materią
 wiele procesów, w których fotony
oddziałują z elektronami, jądrami i polami
elektrycznymi  częściowy lub pełny
przekaz energii fotonu Å‚ elektronowi
środowiska absorbenta.
" 3 główne procesy  zjawisko
fotoelektryczne, Comptona, tworzenie par
41 42
43 44
45 46
47 48
49 50