SadržajFizika atomskog jezgra

414

Osnovne karakteristike atomskog jezgra 415Defekt mase jezgra i energija veze 417Stabilnost atomskog jezgra 419Radioaktivni raspad 422Zakon radioaktivnog raspada 423Vrste radioaktivnog raspada 424α-radioaktivni raspad 425β-radioaktivni raspad 426γ-radioaktivni raspad 428

Radioaktivni niz 429Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijom 430Detekcija radioaktivnog zračenja 434Nuklearne reakcije 438Energetski bilans nuklearne reakcije 439Nuklearna fisija 440Nuklearna fisija i proizvodnja nuklearne energije 442Nuklearna fuzija 444

415

Osnovne karakteristike atomskog jezgraOtkriće atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje α-čestica) - skorocelokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 10−15 m.

NZA += XAZ

Jezgro sadrži protone (pozitivna elementarnanaelektrisanja) i neutrone.Broj protona Z određuje redni broj elementa u Periodnom sistemu, a zbir brojaprotona (Z) i neutrona (N) daje atomski maseni broj A (nekad se naziva i brojnukleona i treba ga razlikovati od relativne atomske mase Ar):

416

Osnovne karakteristike atomskog jezgra

]m10[2.1 153/1 −⋅≈ Ar

Gustina jezgra je približno ista kod svih atoma, tj.ne zavisi od vrste atoma.

Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi čija jezgra imaju jednak redni broj Z(protoni), a različit broj neutrona N.

Primer: vodonik ima tri izotopa -

Izotopi istog hemijskog elementa se u prirodi nalaze u veoma različitom među-sobnom odnosu, a nekih čak ni nema u prirodi, već se u veštačkim (laboratorij-skim) uslovima pojavljuju – kao rezultat nuklearnih reakcija.

Primer: ugljenik -

Jezgro nema oštru ivicu, približno je sfernog oblika, a veličina poluprečnikajezgra zavisi od masenog atomskog broja:

(tricijum)Hm)(deuterijuHH 31

21

11

CiCipostoje%1.1-C%98.9-C 146

116

136

126

417

Defekt mase jezgra i energija vezeUkupna masa jezgra nije jednaka zbiru masa protona i neutrona koji gasačinjavaju, već je uvek nešto manja. Razlika u masi jezgra i njegovih sastavnihdelova se naziva defekt mase Δm i odgovara energiji veze Ev nukleona u jezgru.

Što je energija veze veća, većaje i stabilnost jezgra.

2cmEv Δ=

),(])([ ZAmmZAZmm jnp −−+=Δ

Energija veze Ev je energija koju je potrebno uložiti za razlaganje jezgra,odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra.Prema Ajnštajnovoj relaciji o ekvivalentnosti mase i energije, defektu mase Δmodgovara energija veze Ev izražena preko relacije:

418

Defekt mase jezgra i energija veze - primer

Primer za defekt mase ienergiju veze kod jezgraatoma helijuma, koje sadržidva protona i dva neutrona.

uuumuuu

ummm np

0304.00026.40330.40330.4)0087.1(2)0078.1(2

0026.422 He

=−=Δ=⋅+⋅

=>⋅+⋅

ueV/nukleon1.7/MeV3.28)0304.0(

MeV5.931)()1(kg106606.11 227

≈⇒=

=⋅=⇒⋅= −

AEuE

cumuEu

vv

u - atomska jedinica mase

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

419

Stabilnost atomskog jezgraU jezgru osim odbojne elektrostatičke sile između protona, deluje jakanuklearna sila (interakcija) koja drži sve nukleone (protone i neutrone) naokupu (gravitaciona privlačna sila je zanemarljiva).

Jaka nuklearna interakcija je odgovorna za stabilnost jezgara hemijskihelemenata.

Jaka nuklearna interakcija je sila kratkodometnog tipa (domet 10−15 m) i nezavisi od naelektrisanja (približno je jednaka između dva protona, dva neutrona iliprotona i neutrona).

Pošto proton u jezgru deluje odbojnom elektrostatičkom silom na sve drugeprotone, a privlačne jake nuklearne sile deluju samo između najbližih suseda, dabi jezgro ostalo stabilno, sa porastom broja protona u jezgru raste i broj neutrona .

420

Stabilnost atomskog jezgraNakon izvesnog broja protona (Z>83) ineutrona u jezgru, dalje povećanje brojaneutrona više ne može održati stabilnostjezgra. Takva nestabilna jezgra sespontano raspadaju (dezintegrišu).

Slika: nesrazmerno povećanje broja neutronau jezgrima sa porastom broja protona radiodržanja stabilnosti jezgara.

Rezultati raspada jezgara su nova jezgra– stabilna ili nestabilna (koja se dalje de-zintegrišu u nove produkte radioaktivnograspada).

Prateća pojava radioaktivnog raspada jespontana emisija nevidljivog zračenja –radioaktivnost (Bekerel, 1896.).

421

Stabilnost atomskog jezgra

Kod masivnijih jezgara, energija veze po nukleonu u toj meri opadne da jenedovoljna da održi jezgra u stabilnom stanju – dolazi do pojave spontanogradioaktivnog raspada.

Najstabilnija jezgra imajujednak broj protona i neu-trona.Slika: zavisnost energije ve-ze po nukleonu od atomskogmasenog broja A.

422

Radioaktivni raspadPri spontanoj dezintegraciji (raspadu) nestabilnih masivnih jezgara dolazi doemisije izvesnih čestica i/ili visokoenergetskih fotona – radioaktivno zračenje.

Radioaktivnost je otkrio Anri Bekerel1896. godine.

Radioaktivni raspad je slučajan, statisti-čki proces – ne može se tačno predvidetikoje jezgro će se u kom trenutku raspasti,ali se može odrediti broj jezgara koji ćese raspasti posle izvesnog intervalavremena.

423

Zakon radioaktivnog raspadaZakon radioaktivnog raspada definiše broj N neraspadnutih jezgara radioaktiv-nog elementa nakon proteklog vremena t:

NtNN

tN

λ−=⇒λ−=ΔΔ

dd tNN λ−= e0

A=λN - aktivnost radioaktivnog materijala, broj radioaktivnih raspada u jedinici vremena [Bq].

λ - konstanta radioaktivnog raspada, određuje verovatnoću raspada.

λ=

2ln2/1T

- period poluraspada T, vre-menski interval nakon kojegse broj neraspadnutih jezgarasmanji na polovinu u odnosuna početni.

2/120T

t

NN−

=

424

U radioaktivnim raspadima jezgara važe opšti zakoni fizike – zakoni održanjamase/energije, naelektrisanja, količine kretanja i momenta količine kretanja, anjima se dodaje i zakon održanja broja nukleona u procesu dezintegracije jezgra.

Postoje 3 vrste radioaktivnog raspada, prema vrsti zračenja koje se emituje:α-raspad, β-raspad i γ-raspad.

Emitovano radioaktivno zračenje račličito prodire kroz materiju – prodornost rastepri promeni alfabetne oznake zračenja.

Vrste radioaktivnog raspada

425

Energija oslobođena u radioaktivnom raspaduse raspodeljuje na kinetičke energije proizvodakoji nastaju.

Za vreme α-raspada, može se formirati iemitovati i kvant γ-zračenja.

U α-raspadu se emituje α-čestica (jezgro helijuma, pozitivno naelektrisanačestica), pri čemu se dešava tzv. transmutacija jezgra, proces promene jezgrajednog u jezgro drugog elementa.

α - radioaktivni raspad

He42

42 +→ −

− YX AZ

AZ

Primer I:

HeRnRa 42

22286

22688 +→Primer II:

HeThU 42

23490

23892 +→

426

Postoje tri vrste β-raspada: β−-raspad, β+-raspad i K-zahvat.

1. U β−-raspadu se emituje β−-čestica (elektron, negativno elementarno naelektrisanje;stvara se u toku raspada) pri čemu se takođe dešava transmutacija jezgra.

Jedan neutron u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearne interakcije(sile), transformiše u proton, pri čemu se uz emisiju elektrona javlja i antineutrino.

Antineutrino je čestica praktično nulte mase (tačnije, veoma male mase), beznaelektrisanja, antičestica od neutrina. On deli energiju oslobođenu u raspadu saostalim produktima raspada.

β - radioaktivni raspad

ν++→ −epn

e011 −+ +→ YX A

ZAZ

ν++→ − eNC 01

147

146

Primer II:

ν++→ − ePaTh 01

23491

23490

Primer I:

427

β - radioaktivni raspad2. U β+-raspadu se emituje β+-čestica (pozitron, pozitivno elementarno naelektrisanje,

antičestica elektrona; stvara se u toku raspada) i neutrino.

Jedan proton u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearne interakcije * (sile),transformiše u neutron.

ν++→ +enp e011 +− +→ YX A

ZAZ

3. U K-zahvatu se jezgro oslobađa viška energije zahvatom elektrona iz atomskeorbitale (najčešće K-ljuska, glavni kvantni broj n=1), pri čemu se proton jezgratransformiše u neutron, a jedina emitovana čestica je neutrino.

ν+→+ − nep

* Slaba nuklearna interakcija (sila) i elektromagnetna sila su dva različita oblikaispoljavanja tzv. elektroslabe sile. Elektroslaba, gravitaciona i jaka nuklearna silačine tri osnovne interakcije u prirodi.

ν++→ + eCN 01

126

127

Primer:

428

Jezgra atoma su, slično elektronima u atomskim omotačima, takođeokarakterisana energetskim stanjima, osnovnim i pobuđenim (u koja se mogudovesti u procesima apsorpcije energije).

γ-raspad je prelaz jezgra iz pobuđenog u niže energetsko ili osnovno stanje, što jepraćeno emisijom visokoenergetskog γ-kvanta i tzv. internom konverzijom (višakenergije se predaje nekom elektronu u atomskom omotaču).

γ-raspad obično sledi nakon α- ili β-raspada, kada nastala jezgra nisu u osnovnom(stabilnom) stanju, već u nekom pobuđenom stanju.

γ-raspad ne uzokuje transmutaciju jezgra.

γ - radioaktivni raspad

γ+→ XX AZ

AZ

*

γ+⎯→⎯

ν++⎯→⎯γ∗

−∗β

CC

eCB12

612

6

01

126

125Primer:

429

Radioaktivni raspad - radioaktivni niz

Radioaktivni niz čine serijeradioaktivnih transformacijajezgara, gde se od jednogjezgra, na kraju niza, dospevau sasvim drugi, ali stabilnioblik, u vidu drugog hemij-skog elementa.

430

Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijomEmitovano radioaktivno zračenje različito prodire kroz materiju – prodornost rastesa promenom alfabetne oznake zračenja.

Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz materiju, dolazi do gubitka, tj. predajeenergije apsorbujućem materijalu.

α-čestice na svom putu (usled velike mase putanjaim je prava linija) jonizuju ili ekscituju česticematerije kroz koju prolaze, brzo gube energiju iimaju veoma mali domet (u vazduhu oko 10 cm).

Zaustavlja ih sloj papira, sloj izumrlih ćelija kožeili sloj vazduha od samo nekoliko cm. Znatnoveća opasnost od α-čestica preti ako seradioaktivni materijal koji ih emituje nalazi uživom organizmu, jer deluje na žive ćelije.

431

Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijomβ-čestice (elektroni) pri prolasku kroz materiju takođe vrše ekscitaciju(pobuđivanje) elektrona u orbitama atoma materije i/ili jonizaciju i imajuizlomljenu putanju.

Pored toga, usled naglog usporavanja naelek-trisanih β-čestica (elektroni ilipozitroni) emituje se i tzv. zakočno X-zračenje.

Domet β-čestica u vazduhu ne prevazilazi nekoliko metara. Zaustavlja ih i tanaksloj pleksiglasa. Opasnost dolazi, međutim, od pratećeg zakočnog X-zračenja, kaoi od γ-zračenja koje prati β-radioaktivni raspad i za njih treba birati teškematerijale za zaštitu.

432

Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijomγ-zraci (kvanti elektromagnetnog zračenja) imaju najveći domet i predaju materijisvoju energiju u nekoliko procesa:

1. Fotoelektrični efekat – potpuno predaju energiju elektronima atomskih omotačakoji izlaze iz atoma materijala apsorbera. Takvi elektroni, slično β-česticama, usekundarnom efektu jonizuju sredinu kroz koju se kreću. Ovaj efekat jedominantan pri niskim energijama γ-kvanata.

2. Komptonovo rasejanje na kvazi-slobodnim elektronima – proces kada γ-kvantisamo delimično gube energiju, a deo energije primaju elektroni u materijaluapsorbera. Ovi elektroni se dalje ponašaju kao i β-čestice i vrše ekscitacijuelektrona ili jonizaciju atoma materije, a oslabljeni γ-kvanti izazivaju fotoefekat.Ovaj efekat je dominantan pri srednjim energijama γ-kvanata.

433

Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijom3. Stvaranje para elektron-pozitron – par-efekat; kada fotoni γ-zraka imaju

energiju veću od dvostruke energije mirovanja elektrona Eγ > 2m0c2, može doći upolju jezgra atoma apsorbera do stvaranja elektrona i njegove antičestice,pozitrona. Nastali elektron i pozitron ekscituju i jonizuju sredinu kroz koju sekreću. Ako im je energija mala, oni anihiliraju – ponovo se stvaraju 2 γ-kvantakoji zatim preko fotoelektričnog efekta i Komptonovog rasejanja interaguju samaterijom.

Slabljenje intenziteta γ-zračenja pri prolasku kroz materijal debljine x imaeksponencijalni oblik (zakon apsorpcije γ-zračenja):

xx II μ−= e0

μ – linearni koeficijent apsorpcije (atenuacije);zavisi od vrste apsorbera i energije γ-zraka.

434

Detekcija radioaktivnog zračenjaDetekcija α-, β- ili γ-račenja vrši se preko efekata jonizacije koje radioaktivnozračenje ispoljava pri prolasku kroz materiju.

Podela detektora – prema načinu detekcije jonizacije:

1. Električni detektori – jonizacija se pretvara u električni signal (Gajgerov brojač,proporcionalni brojač, scintilacioni brojač).

2. Vizuelni detektori – dejstvo zračenja se pretvara u vizuelnu informaciju (maglenakomora, mehurasta komora, fotografska emulzija).

Podela detektora – prema nameni:

1. Dozimetri – mere ukupan efekat zračenja (dozu) na dati materijal.

2. Brojači – registruju broj jonizujućih čestica ili γ-kvanata, bez obzira na njihovuvrstu ili energiju.

3. Spektrometri – daju informaciju o intenzitetu i energiji radioaktivnog zračenja.

435

Detekcija radioaktivnog zračenja

Gajger-Milerov brojač (gasni detektor električnogtipa) – svaka čestica ili kvant jonizujućegzračenja proizvodi električnu struju (impuls) urazređenom gasu u telu detektora, koji seregistruje u obliku odbroja. →

Proporcionalni brojač je najjednostavniji oblikbrojača i spektrometra, kod kojeg je visinaizlaznog impulsa struje proporcionalna energijiupadnog zračenja. Radi na istom principu kao iGajgerov brojač, ali u nižem opsegu napona usamom detektoru.

436

Detekcija radioaktivnog zračenjaScintilacioni brojač – na vrhu fotomultiplikatorskevakuumske cevi je tzv. scintilator (kristal, plastičnimaterijal, tečnost, gas) u kome se, pod uticajemupadnog jonizujućeg zračenja, stvaraju fotoni koji iznajbliže elektrode (fotokatode) izbijaju fotoelektrone.Struja fotoelektrona se u fotomultiplikatoru višestru-ko pojačava i beleži kao odbroj, slično Gajgerovombrojaču.

Poluprovodnički detektori – jonizujuće zračenjeizaziva stvaranje parova nosilaca naelektrisanja upoluprovodniku (elektron-šupljina), čiji broj zavisi odenergije zračenja.

437

Maglena komora – (vizuelni detektor) gas ukomori je ohlađen do temperature na kojoj priprolasku jonizujućeg zračenja dolazi do pojavekapljica (kondenzacije) u prostoru komore namestima pojave jonizacije u gasu - trag se snima ikoristi za analizu.

Mehurasta komora - radi na principu maglenekomore, s tom razlikom da umesto gasa koristipregrejanu tečnost na temperaturi ključanja. Namestima prolaska jonizujućeg zračenja, javlaju semehurići ključale tečnosti koji se snimaju.

Fotografska emulzija se direktno koristi zasnimanje puta čestica jonizujućeg zračenja. Jonistvoreni u emulziji duž puta jonizacije uzrokujutaloženje srebra nakon razvijanja.

Detekcija radioaktivnog zračenja

438

Nuklearne reakcijeOsim spontane dezintegracije (transmutacije) jezgara, promene u strukturi je-zgra je moguće i veštački izazvati, tj. moguće je indukovati raspad stabilnihjezgara u sudaru sa drugim jezgrima, subatomnim česticama ili γ-fotonima.

(Indukovane) nuklearne reakcije (transmutacije) su procesi transformacijeatomskih jezgara u interakciji sa česticama, drugim jezgrima ili fotonima.

Kao i za radioaktivni raspad, i za nuklearne reakcije važe zakoni održanja.

bYXa +→+

a – projektil;

X – jezgro meta;

Y – novonastalo jezgro;

b – produkt reakcije

(oslobođeno radioaktivno zračenje -α, β, γ, subatomna čestica, …).

γ+→+

+→+γ

+→+

NCH

HNaMg

HeLiB

147

136

11

11

2411

2512

42

73

105

10 n

439

Energetski bilans nuklearne reakcije

Energija nuklearne reakcije je razlika u kinetičkoj energiji između produkatanuklearne reakcije i čestica koje ulaze u reakciju.

Energija reakcije se može naći iz razlike masa čestica koje ulaze u reakciju i kojesu produkti reakcije.

2)]()[( cmmmmQ bYaX +−+=

Reakcija je egzotermna (oslobađanje energije), ako je Q>0.

Reakcija je endotermna (ostvaruje se na račun energije čestice x koja izazivareakciju), ako je Q<0.

* Pretpostavka je da jezgro meta X miruje pre reakcije.

ak

bk

Yk EEEQ −+= )(

440

Nuklearna fisijaReakcija cepanja masivnog jezgra na dva manje masivna fragmenta je tzv.nuklearna fisija (Fermi - 1934.; Han, Majtner, Štrasman, Friš, 1939.).

U-235 je jedini prirodni izotop urana, koji se u procesu fisije može cepati poduticajem sporih, tzv. termalnih neutrona (energija 0.04 eV ili manja).

Proces fisije prikazan na slici je samo jedan od niza mogućih, čiji ishod su uvekdrugi fragmenti (druga jezgra) i različit broj novostvorenih neutrona.

441

Nuklearna fisija

Prilikom fisije urana, prosečan broj neutrona stvorenihu reakciji je 2.5 što je više nego dovoljno da se reakcijasama održava. Neutroni nastali pri fisiji uzrokuju novereakcije fisije i tako nastaje niz vezanih reakcija ili tzv.lančana reakcija.

Za vreme nekontrolisane lančane reakcije, uveoma kratkom vremenu (milioniti delovisekunde) izvrši se na hiljade fisionih reakcija ioslobodi se ogromna količina energije –primer atomske bombe.

Prilikom jedne fisije U-235 se oslobađa energija, približno oko 200 MeV, od čegaveći deo otpada na kinetičku energiju produkata fisije, što je 108 puta više nego uobičnoj hemijskoj reakciji (sagorevanju fosilnog goriva).

442

Nuklearna fisija i proizvodnja nuklearne energijeOgraničavanjem (kontrolisanjem) broja neutrona koji učestvuju u reakcijama fisije,moguće je uspostaviti stanje da samo jedan novostvoreni neutron izaziva novufisiju. To je tzv. kontrolisana fisija koja se primenjuje u nuklearnim reaktorima zaproizvodnju nuklearne energije.

Zajedničko za većinu nuklearnih reaktora su triosnovna elementa: nuklearno gorivo, neutronskimoderator i kontrolne šipke.

o Najčešće gorivo je U-235, čiji sadržaj u rudnimsirovinama ne prelazi 1 % (ostatak je U-238,nepogodan za reakcije fisije), pa se pre korišćenjagorivo mora obogaćivati, tj. dovesti u stanje savećim procentom jezgara (3 %) koja se cepaju usudaru sa sporim, termalnim neutronima.

443

Nuklearna fisija i proizvodnja nuklearne energijeo Neutronski moderator služi za usporavanje brzih, visokoenergetskih neutrona

nastalih u procesima fisije i neophodnih za nove reakcije.

Najčešće korišćeni moderator je grafit, voda, teška voda (voda obogaćenadeuterijumom, izotopom vodonika sa 1 neutronom u jezgru).

U reaktoru se usporavanjem fisionih produkata njihova kinetička energijatransformiše u vodenu paru koja pokreće turbine i tako mehanički rad pretvara uelektričnu energiju.Za održavanje procesa nuklearne fisije u prosekuod 100 novonastalih neutrona neophodan je 41.Iako se deo neutrona gubi u raznim neželjenimprocesima, praktično ih uvek ima više nego što jeneophodno.

o Kontrolne šipke (čelik legiran sa B, Cd, …) služe zakontrolisanje broja neutrona i stvaranje tzv.kritičnog (stacionarnog) režima u kome jednafisija stvara jedan neutron za sledeći proces fisije.

444

Nuklearna fuzijaU procesima fisije (cepanja) masivnija atomska jezgra sa energijom veze ponukleonu od oko 7.6 MeV se raspadaju na fragmente sa energijom veze ponukleonu od oko 8.5 MeV (stabilnija i lakša jezgra). Razlika od 0.9 MeV jeenergija koja se oslobodi po jednom nukleonu u fisiji.

Spajanje lakih jezgara takođe sugeriše na mogućnost egzotermne nuklearnereakcije (sa oslobađanjem energije)

445

Nuklearna fuzijaNuklearna fuzija je proces spajanja lakih jezgara, sa relativno malom energijomveze po nukleonu, u masivnije jezgro veće energije veze po nukleonu. Oslobođe-na energija u tom procesu je znatno veća nego u procesima fisije (3.5 MeV ponukleonu), a problem goriva ne postoji, jer se ono može dobiti iz vode.

Za ostvarivanje fuzije, neophodno je savladavanjeelektrostatičke sile odbijanja između pozitivnihjezgara koje ulaze u proces.

Velika kinetička energija većem broju jezgara semože saopštiti jedino na temperaturama reda 108

K, prevođenjem fuzionog goriva u stanje plazme(smeša elektrona i jezgara – jonizovana materija).

Problem kontrole (održavanja) stanja plazme jošuvek nije uspešno rešen.