Nuklearna fizika za studente Tehnološkog fakulteta (PDF)
date post
07-Feb-2017Category
Documents
view
267download
7
Embed Size (px)
Transcript of Nuklearna fizika za studente Tehnološkog 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