plik


ÿþJdro atomowe historia, budowa i wBa[ciwo[ci & Spis tre[ci " 1 Historia " 2 Fizyka jdra atomowego  2.1 Oznaczanie  2.2 SiBy jdrowe " 4 Jdra trwaBe i nietrwaBe  4.1 Przemiany jdrowe " 5 Zastosowania praktyczne  5.1 Energetyka jdrowa  5.2 BroD jdrowa  5.3 Medycyna nuklearna  5.4 Diagnostyka medyczna Historia " Istnienie jdra atomowego zostaBo pierwszy raz eksperymentalnie stwierdzone przez fizyka E. Rutherforda w 1911 roku. Rutherford bombardowaB zBot foli dodatnio naBadowanymi czstkami alfa. Badajc rozkBad ktowy promieniowania rozproszonego na folii doszedB do wniosku, |e caBy dodatni Badunek i masa atomu skupione s w bardzo niewielkiej objto[ci nazwanej pózniej jdrem atomowym. Ernest Rutherford Fizyka jdra atomowego Oznaczenie " Jdra atomowe oznacza si takim samym symbolem jak pierwiastek chemiczny odpowiadajcy temu jdru. Dodatkowo, na dole umieszcza si liczb atomow (Z - liczba protonów), a u góry liczb masow (A  suma protonów i neutronów). " Dla przykBadu, jdro atomowe o 11 24 protonach i 13 neutronach jest Na jdrem atomu sodu i oznaczamy je 11 symbolem: Podstawowe wiadomo[ci o budowie materii " nuklid e e e e A e e n p n p p n n p n n n n p n n p n p p n p p Z N p n p n X e e e e Z - protonów Atom: ~10-8 m " p p Jdro: ~10-15 m " Z - elektronów e e e e e e N=A-Z - neutronów n n " izotop - Z=const, A `" " izobar - A=const, Z `" " izoton - N=const, A `" e e n n p p n p n p p p p n p n p p n n n n e e e e e e e e 1 3 4 2 H H (T) He H (D) 1 1 1 2 238 6 Li U 92 235 U 92 e e 239 p p n n n n p p Pu n p n p 94 e e e e izotop izoton r a b o z i elementarno[... 1897  elektron (J.J.Thomson) 1905  foton (A.Einstein) 1911  jdro (E.Rutherford) 1919  proton (E.Rutherford) 1928  pozyton (P.A.M.Dirac) 1931  neutrino (W.Pauli) 1932  neutron (J.Chadwick) co jest elementarne? atom jdro nukleon 10-15 m 10-10 m 10-14 m elektron kwark brak struktury! SiBy jdrowe " Midzy dodatnio naBadowanymi protonami wystpuje odpychanie elektryczne, którego efekty s równowa|one przez oddziaBywanie silne midzy nukleonami. OddziaBywania silne dziaBaj jednak tylko na bardzo krótkich dystansach, zbli|onych do rozmiarów samych jder. Przy dBu|szych odlegBo[ciach przewa|aj siBy odpychania elektrycznego. Empiryczne badanie reakcji jdrowych " Jdra atomowe bada si analizujc samorzutne rozpady oraz rozpraszajc na jdrach czstki (promieniowanie gama, elektrony, neutrony, protony itp.), na podstawie charakterystyki rozpraszania. pozyton P.A.M.Dirac (1928)  relatywistyczne równanie falowe " spin " moment magnetyczny 2 " oraz energia: E = ± me c4 + p2c2 czstka (elektron) mc2 0 -mc2 Carl Anderson (1932) dziura  odkrycie w komorze (pozyton) mgBowej z polem B kreacja pary pozyton foton elektron h½min = 2mec2 H" 1.02 MeV lawiny fotonowo-elektronowe komorze pcherzykowej 239 Pu 94 Jdra trwaBe i nietrwaBe " Tylko niektóre jdra atomowe s trwaBe. Decyduj o tym oddziaBywania midzy tworzcymi je nukleonami. Wikszo[ jder atomowych o liczbie atomowej od 1 (wodór) a| do 83 (bizmut) posiada trwaBe izotopy. " Ci|sze pierwiastki zawsze s nietrwaBe, jednak ich okresy póBrozpadu s tak du|e, |e mo|na znalez je w naturze. Najci|szym z tych pierwiastków jest posiadajcy liczb atomow 94 pluton. " Jeszcze ci|sze pierwiastki nie wystpuj na Ziemi, jednak mo|na je sztucznie wytworzy w akceleratorach czstek. Najci|szym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie atomowej 118, o nazwie Ununoctium, który jest "ostatnim mo|liwym" gazem szlachetnym i który zostaB otrzymany w 1999 r. w liczbie kilkuset atomów przez naukowców z Uniwersytetu Berkeley, w USA. Przemiany jdrowe " PowstaBe w naturze jdra atomowe podlegaj przemianom zwanym przemianami jdrowymi. Przemiany jdrowe mog by samorzutne (jdra nietrwaBe ulegaj rozpadowi) albo s inicjowane przez dostarczenie energii do jdra. " Jdro posiadajce wy|sz energi ni| podstawowe jdro nazywa si jdrem wzbudzonym. Jdro wzbudzone wracajc do stanu równowagi emituje czstki ±, ², towarzyszy temu promieniowanie ³ gdzie E  energia, m  masa, c  prdko[ [wiatBa w pró|ni. WBasno[ci promieniowania jdrowego " Energia wydziela si w postaci promieniowania elektromagnetycznego (gamma - ³) oraz emisji czstek (jder helu - ±, elektronów - ², protonów, neutronów i neutrin) czsto o du|ych energiach. Proces rozpadu wielu jder atomowych prowadzi do powstania promieniowania jonizujcego o du|ym nat|eniu. " Przemiany jdrowe zapisuje si przez analogi do reakcji chemicznych np. 24 24 Na’! Mg + e_ + ve 11 12 24 Jdro atomu sodu o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 11 Na 11 przechodzi w jdro atomu magnezu o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 12 24 Mg 12 przy czym zachodzi emisja elektronu (e-) oraz neutrina elektronowego (½e). Energia wizania i co z niej wynika i co z niej wynika 2 p+p H+e++ ’! ½ e ½ e p p p p p p n n e+ e+ proces rozszczepienia proces syntezy "m "m E="mc2 Reakcja termojdrowa, synteza jdrowa  zjawisko polegajce na zBczeniu si dwóch l|ejszych jder w jedno ci|sze, w wyniku fuzji mog powstawa obok nowych jder te| wolne neutrony, protony, czstki elementarne i czstki alfa. Ró|ne jdra atomowe maj ró|n energi wizania przypadajc na nukleon. Najwiksz energi wizania przypadajc na jeden nukleon ma |elazo. Rozszczepienie jdra atomowego to przemiana jdrowa polegajca na rozpadzie jdra na dwa (rzadziej na wicej) fragmenty o zbli|onych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a tak|e kwantów gamma, które unosz znaczne ilo[ci energii. Poniewa| jdra ulegajce rozszczepieniu zwykle s jdrami ci|kimi, które posiadaj wicej neutronów ni| protonów, obydwa fragmenty powstaBe w rozszczepieniu s jdrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóznieniem (neutrony opóznione). Jdra atomowe ulegaj rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiaj si w wyniku zderzenia z neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi czstkami. Najwiksze praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywoBane zderzeniem z neutronami (w energetyce i wojskowo[ci; patrz te| ni|ej). Rozszczepienie samorzutne s istotne w metodach datowania radioizotopowego. Metod Bczc oba aspekty jest analiza aktywacyjna. Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieDstwo zaj[cia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zale|y od energii neutronów oraz rodzaju jdra atomowego. Wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle nastpuje spadek warto[ci przekroju czynnego na rozszczepienie. Dlatego np. jdra (233U, 235U, 239Pu) najBatwiej ulegaj rozszczepieniu dla powolnych neutronów termicznych. Dla jder tych ci|kich pierwiastków, reakcja ta jest egzoenergetyczna) Na przykBad: Wiele innych jder (np. 232Th, 238U) rozszczepia si gdy energia neutronów jest wiksza od energii progowej (s to jdra ci|kich pierwiastków, dla których reakcja ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) nastpuje skokowy wzrost warto[ci przekroju czynnego na rozszczepienie. Pojedynczy akt rozszczepienia jdra atomowego mo|e w sprzyjajcych warunkach indukowa (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadzc do reakcji BaDcuchowej, co znalazBo zastosowanie w reaktorze jdrowym i bombie atomowej. Z praktycznego punktu widzenia najwiksze znaczenie maj wBasno[ci rozszczepienia jder, które ulegaj rozszczepieniu ju| przy bombardowaniu neutronami o maBej energii. Wymuszone rozszczepienie atomu uranu 235U, na skutek zderzenia z neutronem. W wyniku rozpadu powstaj trzy nowe neutrony zgodnie z reakcj Prawo rozpadu naturalnego  to zale|no[ okre[lajca szybko[ ubywania pierwotnej masy substancji zbudowanej z jednego rodzaju czstek, która ulega naturalnemu, spontanicznemu rozpadowi. Prawo to gBosi, |e je[li prawdopodobieDstwo rozpadu czstek tworzcych substancj jest dla ka|dej z nich jednakowe i niezale|ne oraz nie zmienia si w czasie trwania procesu rozpadu, to ubytek masy substancji w niewielkim odcinku czasu mo|na wyrazi wzorem: gdzie: m - masa substancji ulegajcej rozpadowi, » - staBa rozpadu charakterystyczna dla danego izotopu lub substancji, t - czas, m0 - masa pocztkowa substancji w momencie t = 0 m(t) - masa substancji w czasie t. We wzorze na prawo rozpadu zamiast staBej rozpadu » u|ywana jest wielko[ zwana [rednim czasem |ycia StaBa rozpadu (»)  liczba wyra|ajca prawdopodobieDstwo rozpadu jdra substancji promieniotwórczej w jednostce czasu, bdca wielko[ci charakterystyczn dla tej substancji. Czas poBowicznego rozpadu (zaniku) (okres poBowicznego rozpadu) jest to czas, w cigu którego liczba nietrwaBych obiektów lub stanów zmniejsza si o poBow. Czas ten, oznaczany symbolem T1/2, zgodnie z definicj musi speBnia zale|no[: gdzie N(t)  liczba obiektów pozostaBych po czasie t, N0  pocztkowa liczba obiektów. Pierwotnie czas ten dotyczyB nietrwaBych jder atomowych pierwiastków (promieniotwórczych). W tym przypadku po czasie poBowicznego rozpadu aktywno[ promieniotwórcza próbki zmniejsza si równie| o poBow. Okres poBowicznego rozpadu dotyczy równie| nietrwaBych czstek. Mo|e by wyznaczony z wykBadniczego charakteru rozpadu, który w przypadku izotopów promieniotwórczych nosi nazw prawa rozpadu naturalnego. Zastosowania praktyczne Energetyka jdrowa " Energetyka jdrowa pozwala na praktyczne wykorzystanie procesu rozpadu jder atomowych. Uwolniona energia mo|e sBu|y do rozgrzewania pary napdzajcej turbiny. W technice kosmicznej wykorzystuje si zasilacze izotopowe w sondach kosmicznych badajcych zewntrzne planety UkBadu SBonecznego. Izotopy promieniotwórcze znalazBy te| zastosowanie w czujnikach dymu. Energetyka jdrowa BroD jdrowa " Zjawisko rozpadu jder stosuje si równie| w broni jdrowej, a zjawisko syntezy jdrowej jest podstaw dziaBania bomby wodorowej. Pierwszy raz u|yto broni jdrowej podczas II wojny [wiatowej. Dnia 6 sierpnia 1945 roku USA zrzuciBy bomb atomow na japoDskie miasto Hiroshima. W uBamku sekundy ponad 200-tysiczne miasto zostaBo zmiecione z powierzchni Ziemi Wybuch i jego skutki Hormeza radiacyjna  efekt maBej dawki Medycyna nuklearna " W radioterapii wykorzystuje si promieniowanie wysyBane przez jdra atomowe do niszczenia komórek nowotworowych. PrzykBadem mog by bomby kobaltowe wykorzystywane jako zródBo promieniowania gamma. Najnowsza technika radioterapii opiera si na akceleratorach czstek. " W Polsce, w Zwierku niedaleko Warszawy, znajduje si reaktor atomowy Maria, który pozwala na wytwarzanie izotopów promieniotwórczych wykorzystywanych w medycynie. Najpopularniejsze metody diagnostyki medycznej oparte na technice jdrowej: " tomografia komputerowa osiowa (ang. computed tomography, CT, computed axial tomography, CAT), " tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczo[ci (ang. high resolution computed tomography, HRCT), " spiralna tomografia komputerowa (ang. spiral computed tomography, sCT), " magnetyczny rezonans jdrowy (ang. nuclear magnetic resonance NMR, magnetic resonanse imaging, MRI), " pozytonowa tomografia emisyjna (ang. positron emission tomography, PET). " Wykorzystanie wszystkich tych technik pozwala na szybkie i precyzyjne diagnozowanie wielu powa|nych uszkodzeD organów wewntrznych. Obserwacja fizjologii ludzkiego ciaBa przyczynia si te| do postpu w badaniach nad czBowiekiem. Dziki mo|liwo[ci "podgldania" ludzkiego mózgu podczas pracy naukowcy staj o krok bli|ej do zrozumienia fenomenu inteligencji. Z wyjtkiem magnetycznego rezonansu jdrowego ka|da z technik radiologicznych wi|e si z napromieniowaniem pacjenta. Oznacza to, |e w przypadku kumulacji dawki promieniowania jonizujcego mog pojawi si skutki uboczne. Istnienie tych skutków ubocznych nie mo|e by bagatelizowane, ale obecnie przewa|a strach przed ka|dym rodzajem promieniowania nawet w najmniejszych dawkach, które s u|ywane w diagnostyce. Fizyka i medycyna Promienie rentgenowskie 1895 rok Zastosowanie promieni X Cyfrowy aparat RTG Tomograf CT Izotopy dla medycyny Pierwiastek T1/2 Typ Energia Promieniotwórczy Rozp. [keV] min 131 J 11520 e- 86 11 C 20.3 e+ 959 13 N 10.0 e+ 1197 15 O 2.0 e+ 1738 18 F 109.7 e+ 633 Gamma kamera 5 x5 " Rozdzielczo[ ok. 2mm " Grubo[ scynt. 6 mm (opt. dla 140 keV) " Scyntyl. CsI ( NaI) " Przeznaczenie  tomografia piersi, medycyna nuklerarna Tomograf pozytonowy Ciemna strona " Ubocznym skutkiem wykorzystania technologii nuklearnej mo|e si sta uwolnienie do [rodowiska naturalnego substancji zawierajcych nietrwaBe jdra czyli odpadów promieniotwórczych, a wywoBane nimi zanieczyszczenie [rodowiska to ska|enie radioaktywne. Ska|enie promieniotwórcze jest bardzo trudne do usunicia, gdy| izotopy promieniotwórcze danego pierwiastka, tylko bardzo nieznacznie ró|ni si chemicznie i fizycznie od izotopów trwaBych. Podczas pracy reaktorów jdrowych powstaj bardzo radioaktywne odpady. Ich promieniowanie jest tak silne, |e bez chBodzenia rozgrzewaj si one do bardzo wysokiej temperatury. Odpady z elektrowni jdrowych trzeba przez kilka lat przechowywa w pobli|u elektrowni, gdy| ich transport jest zbyt niebezpieczny, nastpnie s w specjalnych zakBadach przetwarzane w celu odzyskania cennych izotopów, a| w koDcu zostaj one zBo|one w mogilniku, chronicym [rodowisko przed ich wielkim wpBywem. Jest to trudny i kosztowny proces. " Warto wiedzie, |e podczas budowy pierwszej broni jdrowej oraz przez caBy okres jej gromadzenia paDstwa posiadajce gBowice nuklearne dokonywaBy wielu prób tej broni. Próby te polegaBy zwykle na detonacji gBowic próbnych w rozmaitych warunkach: wykonywano próbne detonacje pod ziemi, na ziemi i w powietrzu oraz w stratosferze. Ubocznym efektem tych prób byBo uwolnienie do [rodowiska olbrzymiej ilo[ci materiaBów rozszczepialnych co znaczco podwy|szyBo tzw. naturalne tBo promieniowania. Miedzy innymi ska|enie promieniotwórcze wynikajce np. z awarii w Czarnobylu stanowiBo zaledwie 1% wBa[nie tak podwy|szonego tBa promieniowania "naturalnego". " Przetwarzanie odpadów radioaktywnych wywoBuje w Europie bardzo burzliwe protesty ruchów zielonych. Podczas przewozu kontenerów z utylizowanym paliwem przez Niemcy wicej kosztuje organizacja kordonów policji bronicej odpady przed ekologami ni| sam transport. Pod koniec lat 80, w Polsce, w {arnowcu budowano elektrowni jdrow. Jednak protesty okolicznej ludno[ci spowodowaBy zarzucenie projektu. Nale|y podkre[li, |e poprawnie przeprowadzony proces utylizacji odpadów radioaktywnych nie powoduje ska|enia [rodowiska. Wicej radioaktywnych odpadów wyrzucaj do otoczenia elektrownie wglowe ni| jdrowe. {u|el z pieców zawiera spore ilo[ci pierwiastków radioaktywnych, a jest skBadowany na wolnym powietrzu. KONIEC Jð

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Fizyka INF 6 2011
Fizyka INF 9 2011
Fizyka INF 4 2011
Fizyka INF 4 2011(1)
Fizyka INF 5 2011(1)
Fizyka INF 2 2011
Fizyka INF 3 2011
Fizyka INF 1 2011
Fizyka Wsp 2011
Fizyka 2 6 atomy 2011
Fizyka egzamin 2011
Fizyka 1 drgania harmoniczne 2011
S1?5 INF Fizyka
2011 styczeń OKE Poznań fizyka rozszerzona arkusz
fizyka 2011
fizyka budowli kolo z wykladow opracowane 2011

więcej podobnych podstron