+ Pokaż spis treści

Fizyka jądrowa

Jądro atomowe i jego energia


1. Budowa atomu i jądra atomowego.

Atomy wszystkich pierwiastków mają podobną strukturę. Rozmiary atomu są rzędu 10-10m. Centrum atomu stanowi jądro o bardzo małych rozmiarach, rzędu 10-15m. Jądro atomu zawiera tzw. nukleony, czyli: protony obarczone elementarnym ładunkiem dodatnim i neutrony nie posiadające ładunku. Liczba protonów jest równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków (oznaczamy ją literą Z i nazywamy liczbą atomową), a liczba neutronów może być różna. Liczbę neutronów łatwo jest określić, jeśli znamy tzw. liczbę masową, czyli masę atomu wyrażoną w tzw. jednostkach masy atomowej i zaokrągloną do liczby całkowitej (oznaczamy ją literą A). Liczba neutronów w jądrze wynosi: N=A-Z. Liczbę atomową i masową można odczytać z okresowego układu pierwiastków. W jądrze atomu jest skupiona prawie cała masa atomu. Wokół jądra krążą elektrony obarczone elementarnym ładunkiem ujemnym e = 1,6*10-19C. Liczba elektronów jest równa liczbie protonów i atom jest elektrycznie obojętny.


Atom sodu

zajmuje 11 miejsce w układzie okresowym. W jądrze jest 11 protonów i 13 neutronów (24 - 11), a wokół jądra krąży 11 elektronów. Elektrony krążą w pewnych dozwolonych odległościach - w pierwszej 2 elektrony, w drugiej 8 elektronów i najdalej od jądra 1 elektron. Ilości i odległości elektronów od jądra są określone odpowiednimi regułami (postulaty Bohra, zakaz Pauliego i inne).

2. Energia wiązania jądra - siły jądrowe.

Protony i elektrony, jako cząstki naelektryzowane, działają na siebie siłami przyciągania elektrycznego (przyciągają się i ta siła stanowi siłę dośrodkową utrzymującą elektrony w ruchu wokół jądra). Elektrony mają ujemną energię i do wyrwania elektronu z atomu trzeba atomowi dostarczyć energię z zewnątrz. Najłatwiej jest oderwać elektrony będące najdalej od jądra, tzw. walencyjne (są najsłabiej przyciągane, mają najmniej ujemną energię). Atom pozbawiony elektronu jest atomem zjonizowanym, a energię potrzebną do zjonizowania atomu nazywamy energią jonizacji (wyrażamy ją zazwyczaj w elektronowoltach; 1eV = 1,6*10-19J).
Protony, skupione w jądrze, powinny się odpychać i jądro żadnego atomu nie powinno być trwałe. Wnioskować należy, że protony i neutrony w jądrze są poddane działaniu innych sił, które nazwano siłami jądrowymi. Są to bardzo duże siły przyciągania pomiędzy sąsiednimi nukleonami, czyli: protonami, neutronami oraz protonami i neutronami. Nie zależą one od ładunku, ale ich wartość maleje gwałtownie do zera (są krótkiego zasięgu) w odległości około 2*10-15m od środka jądra.
Masa atomu powinna być równa sumie mas jego składników, czyli sumie mas protonów (mp = 1,0073 u, gdzie u = 1,66*10-27kg jest tzw. jednostką masy atomowej) i neutronów (mn = 1,0087 u) oraz elektronów (me = 0,0005 u). Okazuje się, że masy atomów są w rzeczywistości mniejsze [wyznacza się je przy pomocy tzw. spektrografów masowych]. Różnicę pomiędzy obliczoną i rzeczywistą masą atomu lub jądra nazywamy niedoborem masy. Im więcej nukleonów zawiera jądro, tym niedobór masy jest większy. Korzystając z znanego wzoru Einsteina E = mc2 , można obliczyć energię odpowiadającą niedoborowi masy. Tę energię nazywamy energią wiązania jądra. Jest to ilość energii potrzebnej do rozbicia jądra na składniki. Zazwyczaj wyrażamy tę energię w megaelektronowoltach (np. dla jądra helu wynosi ona 28,39 MeV). Im więcej tej energii przypada na jeden nukleon, tym jądro jest trwalsze. Najtrwalszymi jądrami są jądra pierwiastków o liczbie masowej od 40 do 120 np. stront, żelazo, kobalt.

Promieniotwórczość

1. Promieniotwórczość naturalna.

Pod koniec XIX wieku francuski fizyk Henri Becguerel, odkrył, że związki uranu emitują promieniowanie, które jonizuje powietrze i zaczernia (naświetla) klisze fotograficzne. Maria Skłodowska i jej mąż Piotr Curie odkryli dwa pierwiastki - polon i rad, które również wysyłają takie promieniowanie. Obecnie ocenia się, że jest ich ponad 60. Własność samorzutnego (bez wpływów zewnętrznych) wysyłania promieniowania nazwano promieniotwórczością, a pierwiastki, z których atomów wydobywa się promieniowanie nazwano promieniotwórczymi.
Badania wykazały, że promieniowanie wydobywa się z jąder atomowych, niesie ze sobą energię, ma zdolność przenikania przez materię i jonizacji ośrodka przez który przechodzi, pobudza do świecenia niektóre substancje, zaczernia klisze fotograficzne, jest szkodliwe dla organizmów żywych i ze względu na pewne różnice w właściwościach można je podzielić na trzy rodzaje: a, b, g.Podstawę takiego podziału stanowiło badanie promieniowania jądrowego w polu magnetycznym i elektrycznym, którego efekty pokazuje rys.2.


Z odchylenia w polu magnetycznym i elektrycznym wynika, że;
  • promieniowanie a- stanowi strumień cząstek dodatnich. Mają one małą przenikliwość i dużą zdolność jonizacji, a masa i ładunek cząstek wskazują, iż one jądrami helu
    Gdy jądro pierwiastka wyemituje taką cząstkę, ulega przemianie w jądro innego pierwiastka, o zupełnie innych właściwościach np. jądro radu ulega przemianie w jądro radonu.
  • promieniowanie b- odchyla się w stronę przeciwną, czyli jest strumieniem cząstek ujemnych. Mają one większą przenikliwość i mniejszą zdolność jonizacji, a ich masa i ładunek wskazują, że są strumieniem szybkich elektronów
    Elektronów nie ma w jądrze, ale neutrony mogą ulegać rozpadowi na proton i elektron.Proton pozostaje w jądrze (staje się ono jądrem nowego pierwiastka), a elektron zostaje wyrzucony. Podczas tego procesu powstaje jeszcze jedna cząstka - antyneutrino.
  • promieniowanie g - nie odchyla się w żadnym z pól. Jest najbardziej przenikliwe, nie niesie ze sobą żadnego ładunku, stanowi promieniowanie elektromagnetyczne (strumień fotonów) przenoszące ze sobą dużą energię.
Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego określa się tzw. czas połowicznego rozpadu. Jest to czas, po którym pozostaje połowa jąder promieniotwórczych (czyli połowa ulega rozpadowi). Jest on różny dla różnych pierwiastków np. dla uranu wynosi on 4,5 miliarda lat; dla radonu - około 4 dni; dla radu - około 1600 lat.

2. Promieniotwórczość sztuczna.

Podczas wielu doświadczeń przeprowadzanych z promieniowaniem jądrowym, protonami, neutronami i innymi cząstkami, okazało się, że można otrzymać odmiany promieniotwórcze (izotopy) pierwiastków, które naturalnie występując w przyrodzie, nie są promieniotwórczymi. Dzisiaj jest znanych wiele takich izotopów, szeroko wykorzystywanych w medycynie i przemyśle np. izotopy jodu, strontu, fosforu, krzemu, kobaltu, itd. Te izotopy, wytworzone w wyniku reakcji jądrowych emitują promieniowanie i tę cechę nazywa się promieniotwórczością sztuczną.

Reakcje jądrowe

1. Reakcje syntezy.

Reakcja jądrowa polega zazwyczaj na bombardowaniu jąder pierwiastków lekkimi cząstkami (np. protonami, neutronami), w wyniku czego powstają jądra innych pierwiastków i inne cząstki.
Reakcja syntezy (tzw. termojądrowa) polega na łączeniu jąder lekkich, w wyniku czego powstają jądra cięższe np.
(dwa izotopy wodoru - deutery - łączą się , powstaje jądro helu i wydziela się ciepło);
(trzy jądra helu - łączą się, powstaje jądro węgla i wydziela się ciepło). Tego typu reakcje wymagają bardzo wysokich temperatur i zachodzą we wnętrzach gwiazd. Im starsza gwiazda, tym więcej w jej składzie pierwiastków cięższych i dzięki temu można ocenić wiek gwiazdy.
Ciepło, które wydziela się podczas takich reakcji jest równe energii wiązania tworzących się jąder.

2. Reakcje rozszczepienia.

Polegają one na rozbijaniu jąder ciężkich, o mniejszej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon, na jądra lżejsze, o większej energii wiązania na jeden nukleon. Przykładem takiej reakcji może być zbombardowanie uranu 235
powolnym neutronem. Jądro uranu wchłania neutron, ulega odkształceniu i rozpada się na dwie części - jądro baru i kryptonu; jądro cezu i rubidu lub inne jądra; oraz dwa lub trzy neutrony i ciepło. Równocześnie mogą pojawić się inne cząstki (elektrony, pozytony, itp.). Wyzwalające się podczas rozszczepienia neutrony mogą w pewnych warunkach wnikać w następne jądra uranu, powodując ich rozszczepienia. Reakcje mogą narastać lawinowo i nazywamy to reakcją łańcuchową [rys.3].

Takie reakcje łańcuchowe wymagają spełnienia pewnych warunków - masa substancji rozszczepialnej musi być większa od tzw. masy krytycznej (w przypadku uranu 235 - około 1 kg), aby neutrony nie uciekały poza materiał rozszczepialny. Przebieg reakcji łańcuchowej może być kontrolowany regulowany, aby nie dopuścić do nadmiernej ich liczby) i dokonuje się tego w reaktorach jądrowych; lub pozbawiony kontroli i wtedy mamy do czynienia z bombą atomową.
Podczas reakcji rozszczepienia wydziela się energia, która można wykorzystać. Przeprowadzając kontrolowane reakcje można np. produkować energię elektryczną nie zanieczyszczając środowiska naturalnego dwutlenkiem węgla powstającym przy spalaniu węgla, gazu ziemnego czy ropy naftowej. Należy jednak pamiętać, że zużyte paliwo promieniotwórcze jest też promieniotwórcze i należy je odpowiednio zabezpieczyć, by nie spowodować skażenia.