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 H_E=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

---