Fizyka jądrowa
W skład jader atomowych wchodzą protony ( o ładunku dodatnim) i neutrony (elektrycznie obojętne).Wszystkie składniki jądra nazywa się nukleonami (wspólna nazwa neutronów i protonów)
Oznaczenie jądra atomowego
X - symbol chemiczny pierwiastka
A - liczba masowa (ilość nukleonów w jądrze)
Z - liczba atomowa (liczba porządkowa, ilość protonów w jądrze - decyduje o miejscu pierwiastka w układzie okresowym)
Izotopy - jądra o jednakowej liczbie atomowej i różnych liczbach masowych (różnią się liczbą neutronów, a liczba protonów jest identyczna). Izotopy tego samego pierwiastka mają identyczne właściwości chemiczne, różnią się właściwościami fizycznymi.
-izotopy chloru -
- izotopy wodoru -
(deuter)
(tryt)
Izobary - jądra o jednakowej liczbie masowej i różnych liczbach atomowych (liczba nukleonów jest identyczna, liczba protonów i neutronów mogą być różne)
Izotony - jądra o jednakowej liczbie neutronów, różniące się liczbą protonów.
Skład izotopowy jądra - stosujemy spektograf masowy - strumień jąder skierowany jest w obszar działania pola magnetycznego (działa siła Lorenza)
q - ładunek elektryczny cząstki
B - indukcja pola magnetycznego
F - siła Lorenza
Masa jądra
Masę mierzymy poprzez promień okręgu po którym poruszają się atomy.(wychylenie w polu magnetycznym)
Gęstość materii jądrowej.
V - objętość kuli o promieniu r
Energia wiązania jądra - jest to ilość energii jaką trzeba dostarczyć, aby jądro atomowe rozłożyć na poszczególne nukleony. Deficyt masy wynika z faktu, że w jądrze część masy zamienia się na jego energię wiązania, którą można policzyć ze wzoru:
Podział jąder
- jądra trwałe - duża energia wiązania
- jądra nietrwałe - (promieniotwórcze)
- parzysto-parzyste
- parzysto-nieparzyste
- nieparzysto-parzyste
- nieparzysto-nieparzyste
Własności sił jądrowych.
Oddziaływanie pomiędzy nukleonami tworzącymi jądro nazywa się oddziaływaniem silnym.
- silne siły przyciągające - siły jądrowe są krótko zasięgowe (przeciwdziałają siłom Culombowskim)
- muszą być na tyle silne by protony dodatnie mogły być wzajemnie przyciągane
- nie zależą od ładunku nukleonów, zależą od orientacji spinów. Spin nukleonów - ruch nukleonów w jądrze.
- wysycenie
Moment orbitalny jądra
Moment spinowy
Przemiany jądrowe.
Promieniotwórczość naturalna jest to zjawisko samorzutnej przemiany nietrwałych jąder atomowych w jądra innych pierwiastków i towarzyszącą temu procesowi emisję promieniowania α, β, γ.
1.Przemiana alfa - polega na emisji z jądra cząstki alfa (cząstką alfa jest jądro helu). W wyniku tej przemiany liczba masowa jądra zmienia się o cztery, a liczba atomowa o dwa. Można to zapisać schematycznie
2.Przemiana
. W czasie tej przemiany emitowane są z jądra elektrony pojawiające się w wyniku rozpadu neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe.
Zapis schematyczny
W czasie tej przemiany liczba masowa jądra nie zmienia się, natomiast liczba atomowa rośnie o jeden.
3.Przemiana
. Podczas tej przemiany emitowane są pozytony (dodatnie elektrony) powstające w wyniku przemiany protonu w neutron, pozyton i neutrino elektronowe
Zapis schematyczny
W czasie tej przemiany liczba masowa jadra nie ulega zmianie, natomiast liczba atomowa maleje o jeden.
4.Przemiana γ -rozpadowi pierwiastków promieniotwórczych towarzyszy promieniowanie γ (elektromagnetyczne). Promieniowanie to emitowane jest podczas przejścia jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego albo do stanu o niższej energii. Więc pojawia się gdy jądro pochodne otrzymane w wyniku przemiany alfa lub beta znajduje się w stanie wzbudzonym.
Długość fali
Prawo rozpadu promieniotwórczego.
W wyniku rozpadu liczba jąder w próbce maleje wykładniczo z upływem czasu. Ilość jąder pierwiastka izotopu promieniotwórczego, jaka zostaje po czasie t z początkowej liczby jąder, dana jest wzorem
N - liczba jąder po czasie t
N0- początkowa liczba jąder
λ - stała rozpadu, charakterystyczna dla danego pierwiastka (jedn. 1/s) równa odwrotności średniego czasu życia t jąder tego pierwiastka.
Aktywność promieniotwórcza (A) - źródła promieniotwórczego nazywamy wielkość, która wyraża liczbę jąder rozpadających się w jednostce czasu (jej wartość maleje
z czasem)
jedn. 1 Bq (becquerel) 1Bq=1/s
Rozpad sukcesywny - rozpad łańcuchowy + emisja promieniowania. Następuje rozpad jądra pierwotnego na inne z emisją promieniowania.
Alfa Beta - Beta + Gamma
W warunkach równowagi promieniotwórczej
Przyczyny absorpcji.
1.Zjawisko fotoelektryczne - polega na wybijaniu elektronów przez foton
2.Zjawisko Comptona - kwant promieniowania oddaje częściowo energię elektronowi.
3.Zjawisko tworzenia par elektronowych. Ep>1,022MeV - powstaje para elektron-pozyton
Oddziaływanie promieniowania jonizującego
1.Skutki bezpośrednie - oddziaływanie z jądrami komórek (RNA,DNA).Tworzenie mutacji
2.Pośrednie - zmiany chemiczne - dysocjacja wody
Dawka pochłonięta
Równoważnik dawki pochłoniętej H=DQ
Q - współczynnik jakości promieniowania inny dla każdego rodzaju promieniowania
Skuteczny równoważnik promieniowania HE=DQN
N - współczynnik wrażliwości poszczególnych części organizmu ludzkiego
Do pomiaru promieniowania służą detektory. Liczniki (detektory) scyntylacyjne - pod wpływem promieniowania jonizującego scyntylator emituje prom. Świetlne w postaci błysku.
Reakcje jądrowe - przemiany jąder atomowych wywołane działaniem czynników zewnętrznych.
X-jądro początkowe; a - cząstka inicjująca reakcję jądrową
1.Reakcja rozszczepienie jądra - ciężkie jądro bombardowane jest neutronami, w wyniku czego dzieli się na dwa nowe jądra oraz klika neutronów. Powstające jądra są nietrwałe i ulegają dalszym przemianom, z tego względu towarzyszy, oprócz emisji neutronów, promieniowanie α, β, γ.
2.Reakcja syntezy - polega na łączeniu się dwóch lekkich jąder w jądro cięższe. Reakcja ta zachodzi wówczas, gdy jądra w wyniku zderzenia zbliżą się do siebie na odległość mniejszą niż wynosi zasięg sił jądrowych. Jest to możliwe w wysokich temperaturach.
Zastosowanie promieniowania jonizującego.
- wykorzystanie prawa rozpadu promieniotwórczego
do badania wieku określonych materiałów na podstawie czasu połowicznego zaniku.
- wskaźniki promieniotwórcze - grubość materiałów, odległość na podstawie
w medycynie, w przemyśle spożywczym (termin ważności)
- do mierzenia tkanek żywych (wyjałowienie materiałów)
- reaktory jądrowe
Cząstki elementarne
- Leptony - spin ½ - cząstki nie biorące udziału w oddziaływaniach silnych; - Hadrony - cząstki biorace udział w oddziaływaniach silnych. Dzielą się na:
-Mezony - spin 0; -Bariony - spin ½ lub 3/2 dzielą się na hiperony i nukleony
- Foton - spin 1 -cząstka przenosząca oddziaływanie elektromagnetyczne
Cząstki elementarne można również podzielić na: bozony, leptony i kwarki
Zasady zachowania:
1.Zasada zachowania masy
2.Zasada zachowania ładunki
3.Zasada zachowania energii - masy jąder
Jeżeli Q>0 - reakcja egzoenergetyczna (z udziałem neutronów)
Jeżeli Q<0 - reakcja endoenergetyczna