Nuklearna fizika za studente matematike (PDF)
date post
07-Feb-2017Category
Documents
view
267download
12
Embed Size (px)
Transcript of Nuklearna fizika za studente matematike (PDF)
SadrajFizika atomskog jezgra
300
Osnovne karakteristike atomskog jezgra 301Defekt mase jezgra i energija veze 303Stabilnost atomskog jezgra 305Radioaktivni raspad 308Zakon radioaktivnog raspada 309Vrste radioaktivnog raspada 310-radioaktivni raspad 311-radioaktivni raspad 312-radioaktivni raspad 314
Radioaktivni niz 315Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom 316Nuklearne reakcije 320Energetski bilans nuklearne reakcije 321Nuklearna fisija 322Nuklearna fuzija 324
301
Osnovne karakteristike atomskog jezgraOtkrie atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje -estica) - skorocelokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 1015 m.
NZA += XAZ
Jezgro sadri protone (pozitivna elementarnanaelektrisanja) i neutrone.Broj protona Z odreuje redni broj elementa u Periodnom sistemu, a zbirbroja protona (Z) i neutrona (N) daje atomski maseni broj A (nekad senaziva i broj nukleona i treba ga razlikovati od relativne atomske mase Ar):
302
Osnovne karakteristike atomskog jezgra
Jezgro nema otru ivicu, priblino je sfernog oblika, a veliina poluprenikajezgra zavisi od masenog atomskog broja:
]m10[2.1 153/1 Ar
Gustina jezgra je priblino ista kod svih atoma, tj.ne zavisi od vrste atoma.
Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi ija jezgra imaju jednak rednibroj Z (protoni), a razliit broj neutrona N.
Primer: vodonik ima tri izotopa -Izotopi istog hemijskog elementa se u prirodi nalaze u veoma razliitommeusobnom odnosu, a nekih ak ni nema u prirodi, ve se u vetakim(laboratorijskim) uslovima pojavljuju kao rezultat nuklearnih reakcija.Primer: ugljenik -
(tricijum)Hm)(deuterijuHH 3121
11
CiCipostoje%1.1-C%98.9-C 146116
136
126
303
Defekt mase jezgra i energija vezeUkupna masa jezgra nije jednaka zbiru masa protona i neutrona koji gasainjavaju, ve je uvek neto manja. Razlika u masi jezgra i njegovihsastavnih delova se naziva defekt mase m i odgovara energiji veze Evnukleona u jezgru.
Energija veze Ev je energija koju je potrebno uloiti za razlaganje jezgra,odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra.Prema Ajntajnovoj relaciji o ekvivalentnosti mase i energije, defektu masem odgovara energija veze Ev izraena preko relacije:to je energija veze vea,vea je i stabilnost jezgra.
2v cmE =
),(])([ ZAmmZAZmm jnp +=
304
Defekt mase jezgra i energija veze - primer
Primer za defekt mase ienergiju veze kod jezgraatoma helijuma, koje sadridva protona i dva neutrona.
uuumuuu
ummm np
0304.00026.40330.40330.4)0087.1(2)0078.1(2
0026.422 He
===+
=>+
ueV/nukleon1.7/MeV3.28)0304.0(
MeV5.931)()1(kg106606.11
vv
227
=
===
AEuE
cumuEuu - atomska jedinica mase
* masa elektrona je zanemarljivo mala i ne uzima se u obzir
305
Stabilnost atomskog jezgraU jezgru osim odbojne elektrostatike sile izmeu protona, deluje jakanuklearna sila (interakcija) koja dri sve nukleone (protone i neutrone) naokupu (gravitaciona privlana sila je zanemarljiva).
Jaka nuklearna interakcija je odgovorna za stabilnost jezgara hemijskihelemenata.
Jaka nuklearna interakcija je sila kratkodometnog tipa (domet 1015 m) i nezavisi od naelektrisanja (priblino je jednaka izmeu dva protona, dvaneutrona ili protona i neutrona).
Poto proton u jezgru deluje odbojnom elektrostatikom silom na sve drugeprotone, a privlane jake nuklearne sile deluju samo izmeu najbliihsuseda, da bi jezgro ostalo stabilno, sa porastom broja protona u jezgruraste i broj neutrona.
306
Stabilnost atomskog jezgraNakon izvesnog broja protona (Z>83)i neutrona u jezgru, dalje poveanjebroja neutrona vie ne moe odratistabilnost jezgra. Takva nestabilnajezgra se spontano raspadaju (dezin-tegriu).Slika: nesrazmerno poveanje broja neutrona ujezgrima sa porastom broja protona radi odranjastabilnosti jezgara.
Rezultati raspada jezgara su novajezgra stabilna ili nestabilna (koja sedalje dezintegriu u nove produkteradioaktivnog raspada).
Pratea pojava radioaktivnog raspadaje emisija nevidljivog zraenja radioaktivnost (Bekerel, 1896.).
307
Stabilnost atomskog jezgraNajstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona.
Kod masivnijih jezgara, energija veze po nukleonu u toj meri opadne da jenedovoljna da odri jezgra u stabilnom stanju dolazi do pojave spontanogradioaktivnog raspada.
Zavisnost energije veze (pojednom nukleonu) od atom-skog masenog broja A:
308
Radioaktivni raspadPri spontanoj dezintegraciji (raspadu) nestabilnih masivnih jezgara dolazido emisije izvesnih estica i/ili visokoenergetskih fotona - radioaktivnozraenje.
Radioaktivnost je otkrio Bekerel1896. godine.
Radioaktivni raspad je sluajan,statistiki proces - ne moe se tanopredvideti koje jezgro e se u komtrenutku raspasti, ali se moe odreditibroj jezgara koji e se raspasti posleizvesnog intervala vremena.
309
Zakon radioaktivnog raspadaZakon radioaktivnog raspada definie broj N neraspadnutih jezgararadioaktivnog elementa nakon proteklog vremena t:
NtNN
tN
==
dd tNN = e0
A=N - aktivnost radioaktivnog materijala, broj radioaktiv-nih raspada u jedinici vremena [Bq].
- konstanta radioaktivnog raspada, odreuje verovatnouraspada.
=
2ln2/1T
- period poluraspada, vremenskiinterval nakon kojeg se brojneraspadnutih jezgara smanjina polovinu u odnosu napoetni.
2/120Tt
NN
=
310
U radioaktivnim raspadima jezgara vae opti zakoni fizike - zakoniodranja mase/energije, naelektrisanja, koliine kretanja (impulsa) imomenta koliine kretanja, a njima se dodaje i zakon odranja brojanukleona u procesu dezintegracije jezgra.
Postoje 3 vrste radioaktivnog raspada, prema vrsti zraenja koje se emituje:-raspad, -raspad i -raspad.Emitovano radioaktivno zraenje raliito prodire kroz materiju prodor-nost raste pri promeni alfabetne oznake zraenja.
Vrste radioaktivnog raspada
311
Energija osloboena u radioaktivnomraspadu se raspodeljuje na kinetikeenergije proizvoda koji nastaju.Za vreme -raspada, moe se formirati iemitovati i kvant -zraenja.
U -raspadu se emituje -estica (jezgro helijuma, pozitivno naelektrisanaestica), pri emu se deava tzv. transmutacija jezgra, proces promenejezgra jednog u jezgro drugog elementa.
- radioaktivni raspad
He4242 +
YXAZ
AZ
Primer I
HeRnRa 42222
86226
88 +Primer II
HeThU 42234
9023892 +
312
Postoje tri vrste -raspada: -raspad, +-raspad i K-zahvat.1. U -raspadu se emituje -estica (elektron, negativno elementarno
naelektrisanje; stvara se u toku raspada) pri emu se takoe deavatransmutacija jezgra.Jedan neutron u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearneinterakcije (sile), transformie u proton, pri emu se uz emisiju elektronajavlja i antineutrino.Antineutrino je estica praktino nulte mase (tanije, veoma male mase),bez naelektrisanja, antiestica od neutrina. On deli energiju osloboenu uraspadu sa ostalim produktima raspada.
- radioaktivni raspad
++ epn
e011 + + YXA
ZAZ
++ eNC01
147
146
Primer II
++ ePaTh01
23491
23490
Primer I
313
- radioaktivni raspad2. U +-raspadu se emituje +-estica (pozitron, pozitivno elementarno
naelektrisanje, antiestica elektrona; stvara se u toku raspada) i neutrino.
Jedan proton u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearne interakcije *(sile), transformie u neutron.
++ +enp e011 + + YXA
ZAZ
3. U K-zahvatu se jezgro oslobaa vika energije zahvatom elektrona izatomske orbitale (najee K-ljuska, glavni kvantni broj n=1), pri emu seproton jezgra transformie u neutron, a jedina emitovana estica jeneutrino.
++ nep* Slaba nuklearna interakcija (sila) i elektromagnetna sila su dva razliita oblika
ispoljavanja tzv. elektroslabe sile. Elektroslaba, gravitaciona i jaka nuklearna silaine tri osnovne interakcije u prirodi.
++ + eCN01
126
127
Primer
314
Jezgra atoma su, slino elektronima u atomskim omotaima, takoeokarakterisana energetskim stanjima, osnovnim i pobuenim (u koja semogu dovesti u procesima apsorpcije energije).
-raspad je prelaz jezgra iz pobuenog u nie energetsko ili osnovnostanje, to je praeno emisijom visokoenergetskog -kvanta i tzv. internomkonverzijom (viak energije se predaje nekom elektronu u atomskomomotau).
-raspad obino sledi nakon - ili -raspada, kada nastala jezgra nisu uosnovnom (stabilnom) stanju, ve u nekom pobuenom stanju.
-raspad ne uzokuje transmutaciju jezgra.
- radioaktivni raspad
+ XX AZAZ
*
+
++
CC
eCB12
612
6
01
126
125Primer
315
Radioaktivni raspad - radioaktivni niz
Radioaktivni niz ine se-rije radioaktivnih transfor-macija jezgara, gde se odjednog jezgra, na krajuniza, dospeva u sasvimdrugi, ali stabilni oblik, uvidu drugog hemijskogelementa.
316
Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijomEmitovano radioaktivno zraenje razliito prodire kroz materiju -prodornost raste pri promeni alfabetne oznake zraenja.
Pri prolasku radioaktivnog zraenja kroz materiju, dolazi do gubitka, tj.predaje energije apsorbujuem materijalu.
-estice na svom putu (usled velike maseputanja im je prava linija) jonizuju iliekscituju estice materije kroz koju prolaze,brzo gube energiju i imaju veoma mali domet(u vazduhu oko 10 cm).
Zaustavlja ih sloj papira, sloj izumrlih elijakoe ili sloj vazduha od samo nekoliko cm.Znatno vea opasnost od -estica preti akose radioaktivni materijal koji ih emituje nalaziu ivom organizmu, jer deluje na ive elije.
317
Interak