FIZYKA JĄDROWA

1. Budowa atomu (liczba atomowa, liczba masowa)

Liczba atomowa -  określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu.

Liczba masowa - wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego jądra. Różnice tych wartości wynikają z: istnienia izotopów, defektu masy jądra, dodatkowego udziału elektronów w masie atomowej

2. Promieniowanie X (cechy)

-  rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów

-  Długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm

- Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy nadfioletemi promieniowaniem gamma

- Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg

3. Promieniowanie alfa, beta, gamma

Promieniowanie alfa-  promieniowanie jonizujące emitowane przez rozpadające się jądra atomowe, będące strumieniem cząstek alfa, które są jądrami helu. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He, więc często oznacza się ją jako He²⁺. Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane przez materię. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa.

Promieniowanie beta - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę. Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1 (lub 1 dla pozytonu), masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u.

Promieniowanie gamma -  wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV.  Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym.

4. Izotopy (przykłady, zastosowanie)

Izotopami promieniotwórczymi nazywa się atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą masową czyli mające inna liczbę neutronów w jądrze.Jądra niektórych izotopów są niestabilne i wykazują naturalną tendencję do rozpadania się z wydzieleniem cząstek 
lub 
oraz energii elektromagnetycznej. Są to naturalne izotopy promieniotwórcze. Przykłady: potas43, miedź 67, jod 123, fluor 18, kobalt 60, rad 226 i technet 99.

Ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych znajdują one szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach zarówno nauki jak i przemysłu. Wykorzystuje się je m.in. :

- w chemii, m.in. do badań mechanizmów reakcji chemicznych, rozpuszczalności i itp.

- w znacznikowych badaniach dyfuzji, korozji, adsorpcji

- w metaloznawstwie

- do wykrywania nieszczelności instalacji, rurociągów

- w hydrologii np. do badania kierunku i prędkości przepływu wód

- w kryminalistyce

- w biologii, umożliwiając śledzenie obiegu danego pierwiastka w przyrodzie

- w archeologii do datowania obiektów, z wykorzystaniem izotopu węgla 14.

5. Detektory promieniowania jądrowego

urządzenia do rejestracji promieniowania jonizującego przez przetworzenie pierwotnych skutków oddziaływań promieniowania z materią na sygnały obserwowalne. Do detekcji wykorzystuje się głównie zdolność cząstek do jonizacji atomów ośrodkowych, przez który przechodzą, a także zdolność do wywoływania emisji promieniowania elektromagnetycznego, reakcji chemicznej i jądrowej, wytwarzania nośników prądu elektrycznego. Ośrodkiem czynnym detektorów promieniowania jonizującego bywają zazwyczaj specjalnie dobrane gazy, ciecze bądź ciała stałe. 

6. Przemiany pierwiastków

Samorzutne przemiany promieniotwórcze to przemiany jader atomowych zachodzące bez działania jakiegokolwiek czynnika zewnętrznego, w wyniku których powstają jądra atomowe nowego pierwiastka (o innym N/Z niż jądro ulegające rozpadowi) lub jądro tego samego pierwiastka lecz o niższej energii.

7. Sztuczne przemiany pierwiastków

promieniotwórczość trwałych pierwiastków chemicznych wywoływana w sposób sztuczny poprzez napromieniowanie trwałych pierwiastków neutronami w reaktorze jądrowym lub poprzez "bombardowanie" tych pierwiastków ciężkimi cząstkami, takimi jak na przykład protony, cząstki alfa i inne. 

Proces uzyskiwania wybranych izotopów jest bardzo skomplikowany. Polega on na umieszczeniu wybranego atomu w reaktorze atomowym, pomiędzy dwoma izotopami (najczęściej uranu) i, za pomocą specjalistycznej aparatury, kontrolowaniu przepływu promieniotwórczości przez ten atom.

8. Datowanie za pomocą węgla

Określenie proporcjonalnej zawartości węgla radioaktywnego C14 w martwej substancji pochodzenia organicznego pozwala oszacować, ile lat upłynęło od śmierci tego organizmu. W przyrodzie istnieją różne formy węgla. Węgiel nie wykazujący radioaktywności (C12) jest atomem stabilnym, którego jądro zawiera 6 protonów i 6 neutronów. Węgiel C14 ma takie same własności chemiczne - ale przy tej samej ilości protonów - jądro zbudowane nie z 6 lecz 8 neutronów. Węgiel C14 jest radioaktywny, to znaczy, że jest niestabilny i ma skłonność do przekształcania się w azot, którego jądro składa się z 7 protonów i 7 neutronów. Naukowcy określili w przybliżeniu okres jego połowicznego rozpadu tj. czas w którym liczba atomów C14 obecnych w martwej materii organicznej zmniejsza się o połowę - na 5700 lat. Ta właśnie cecha pozwala na określenie wieku materiału. Rośliny, wchłaniają obecny w atmosferze węgiel (w tym także węgiel C14), dopóki żyją. Proporcja zawartego w nich węgla C12 i C14 jest wówczas podobna do tej, jaka istnieje w atmosferze. Kiedy roślina ginie, ustaje fotosynteza, a więc i przyswajanie atmosferycznego dwutlenku węgla. Od tej chwili skład izotopowy węgla w materiale roślinnym ulega już tylko jednej, stałej przemianie, wynikającej z rozpadu radioaktywnych cząstek C14. O ile ilość C12 utrzymuje się odtąd na stałym poziomie, węgiel C14 ulega stopniowemu rozpadowi i zastępowany jest przez azot. W konsekwencji, im badany materiał jest starszy, tym mniej w nim C14. Obliczając liczbę atomów C14 w kawałku materiału i porównując ją z normalną zawartością tego izotopu, można z dużym prawdopodobieństwem ocenić wiek materiału

9. Rozszczepianie jądra

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 wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku zderzenia z neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząstkami. 

10. Bomba atomowa

Bomba atomowa czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu/przekroczeniu w jak najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku jądrowego. Przekroczenie masy krytycznej zazwyczaj uzyskuje się na jeden z dwóch sposobów: poprzez połączenie kilku porcji materiału rozszczepialnego (tzw. metoda działa) lub zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę (tzw. metoda implozyjna). Połączenie to musi odbyć się szybko by reakcja nie została przerwana już w początkowej fazie w wyniku rozproszenia energii powstającej podczas rozszczepiania jąder, dlatego do połączenia materiałów rozszczepialnych używa się konwencjonalnego materiału wybuchowego. Reakcja łańcuchowa wydziela ogromną ilość energii. Wysoka temperatura i energia produktów rozpadu powodują błyskawiczne rozproszenie materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji łańcuchowej. Jako ładunku nuklearnego przy metodzie działa używa się uranu-235, zaś przy metodzie implozyjnej - plutonu-239.

11. Elektrownie jądrowe

Obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna), wytwarzający energię elektrycznąpoprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego w izotop ²³⁵U), w której ciepło konieczne do uzyskania pary wodnej, jest otrzymywane z reaktora jądrowego.

Ogólna zasada działania elektrowni jądrowej (na przykładzie obiegu PWR):

W reaktorze jądrowym w wyniku reakcji rozszczepienia jąder atomowych wydzielają się duże ilości ciepła, które jest odbierane przez czynnik roboczy (najczęściej wodę pod wysokim ciśnieniem w tak zwanym obiegu pierwotnym - reaktory PWR i WWER). Czynnik przepływa do wytwornicy pary, gdzie oddaje ciepło wrzącej wodzie z obiegu wtórnego o niższym ciśnieniu, a następnie powraca do reaktora. Para wodna (para mokra, która jest osuszana przed dojściem do turbiny - cząsteczki wody w parze mokrej, pod wysokim ciśnieniem, zniszczyłyby turbinę, więc para mokra przechodzi najpierw z wytwornicy pary przez systemy osuszające, zanim trafi do turbiny) napędza następnie turbinę parowąpołączoną z generatorem. Separacja obiegów zapewnia większe bezpieczeństwo w przypadku wycieku pary z turbiny.

---