Nuklearna fizika za studente Tehnolokog fakulteta (PDF)

download Nuklearna fizika za studente Tehnolokog fakulteta (PDF)

of 16

  • date post

    07-Feb-2017
  • Category

    Documents

  • view

    253
  • download

    7

Embed Size (px)

Transcript of Nuklearna fizika za studente Tehnolokog fakulteta (PDF)

  • SadrajFizika atomskog jezgra

    396

    Osnovne karakteristike atomskog jezgra 397Defekt mase jezgra i energija veze 399Stabilnost atomskog jezgra 401Radioaktivni raspad 404Zakon radioaktivnog raspada 405Vrste radioaktivnog raspada 406-radioaktivni raspad 407-radioaktivni raspad 408-radioaktivni raspad 410

    Radioaktivni niz 411Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom 412Detekcija radioaktivnog zraenja 416Nuklearne reakcije 420Energetski bilans nuklearne reakcije 421Nuklearna fisija 422Nuklearna fisija i proizvodnja nuklearne energije 424Nuklearna fuzija 426

    397

    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):

  • 398

    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

    399

    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.

    2cmEv =

    ),(])([ ZAmmZAZmm jnp +=

  • 400

    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(kg106606.11 227

    ====

    AEuEcumuEu

    vv

    u - atomska jedinica mase

    * masa elektrona je zanemarljivo mala i ne uzima se u obzir

    401

    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 .

  • 402

    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 proton radi odranjastabilnosti jezgara.

    Rezultati raspada jezgara su novajezgra stabilna ili nestabilna (koja sedalje dezintegriu u nove produkteradioaktivnog raspada).

    Pratea pojava radioaktivnog raspadaje spontana emisija nevidljivog zra-enja radioaktivnost (Bekerel, 1896.).

    403

    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 pojavespontanog radioaktivnog raspada.

    Zavisnost energije veze ponukleonu od atomskogmasenog broja A:

  • 404

    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.

    405

    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

    =

  • 406

    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

    407

    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 +

  • 408

    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

    409

    - 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

  • 410

    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

    411

    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.

  • 412

    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 nala