ATOMSKE JEZGRE I ELEMENTARNE ČESTICE GRAĐA ATOMSKIH JEZGRI
-
ATOM ATOM = jezgra jezgra + el elekt ektron ronski ski omota omotačč (Z ele elektr ktrona ona)) - Atomska jezgra protoni + neutroni = nukleoni (A – nukleonski ili maseni broj) A=Z+N - Promjer atoma ≈ 10-10m, promjer elektrona ≈ 10-18m, promjer vodikove jezgre ≈ 10-15m
IZOTOPI:
- Jedn Jednak ak Z, a rraz azli liči čitt N (br (br.. neu neutr tron ona) a) - Ista Ista kemi kemijsk jska, a, ali ali razl različi ičita ta fiz fizika ikalna lna svojs svojstva tva - Različ zličit ita a at atoms omska mas masa a - 4 temeljne sile: - Gravitacijska - Elekt ektromagnetna - Jaka sila - Slaba sila
JAKA SILA : - Sila među nukleonima (NUKLEARNA SILA) -
-
Odgo Odgovo vorn rna a za posto postoja janj nje e atom atomsk skih ih jezgr jezgrii – drži drži na okupu okupu proto protone ne i neutrone Kratkog dosega > 2∙10-15m Privlačna jaka sila – najjača na udaljenosti od 10 -15m Veće približavanje nukleona udaljenost udaljenost od 0,5 ∙ 10 -15m ODBOJNA Vrlo snažna snažna – oko oko 100 100 puta puta veća veća od električne električne sile među nukleonim nukleonima a SILA JAKOST „jaka“ 1 Elektična 10-2 Gravitacijska 10-40
NUKLEARNE REAKCIJE -
-
Suda Sudaro rom m jezg jezgar ara a nast nastaj aju u prom promje jene ne u građ građii i oslo osloba bađa đa se energija. NUKLEARNA ENERGIJA dio mase pretvara se u energiju 6 E oslobođena iz jedne jezgre ≈ 10 × veća od kem. energije 1 molekule Vrste nuklea nu klearnih rnih reakci re akcija ja: 1. fuzija 2. fisija 3. upij upijan anje je neu neutr tron ona a E
ATOMSKA JEDINICA MASE -
-
m c
2
=
za isk iskaz aziv ivan anje je mas mase e u nukl nuklea earn rnoj oj fiz fizic icii -27 u = 1,660565 ∙ 10 kg u = 1/12 mase atoma ugljika-12 pretvorbom 1u mase u energiju dobilo bi se 931,5MeV (1MeV = 10 6eV) mp = 1,007277u 1
-
mn = 1,008665u me = 0,000549u pri svakoj nuklearnoj reakciji očuvani su broj nukleona i električni naboj
JEZGRA JE ZGRA-PRO -PROJEK JEKTIL TIL I NEUTRON NEUT RON -PROJEK -PRO JEKTIL TIL : - jezgra-projektil nalijeće na jezgru-metu na jezgru-metu - uvjeti: uvjeti:
1. jezgre jezgre sse e moraj moraju u približ približiti iti na doseg doseg jake sile 2. moraju imati dovoljno veliku E K da svaldaju odbojnu električnu silu (obije su pozitivno nabijene) nuklearna sila izaziva nuklearnu reakciju - neutron-projektil nalijeće na jezgru-metu - neutron nema el. naboj nema odbojne el. sile potrebno manje E - početna jezgra u nuklearnoj reakciji (jezgra-meta) JEZGRA-RODITELJ - jezgre koje nastaju u nuklearnoj reakciji JEZGRE-KĆERI
NUKLEARNA DOLINA: potencijalnu u energiju energiju zbog svaka atoms atomska ka jezgr jezgra a ima ima određe određenu nu potencijaln - svaka -
nuklearnog i električnog međudjelovanja nukleona srednja potencijalna energija po nukleonu = ukupna potencijalna energija/broj energija/broj nukleona Fe , najveća za H najmanja za 2566 Fe povećava; prem prema prema lakšim lakšim jezgra jezgrama ma se povećava; prema a teži težim m jezg jezgra rama ma se također povećava, ali sporije - dno doline – A=56 za 56 26
Fe Fe
- lijeva padina (prema lakšim
NUKLEARNA NUKLEARNA FISIJA - nuklearna reakcija pri kojoj se teška jezgra raspada na dvije lakše
2
- nastale jezgre imaju manju Ep po nukleonu - razlika konačne i početne E p se oslobađa -
2.
nastale nastale jezgre jezgre su β-radioa β-radioaktivn ktivne e – opasnost opasnost (radioakt (radioaktivni ivni otpad) otpad) LANČANI PROCES FUSIJE urana-235 - u svakoj fusiji jezgre urana oslobađaju se neutroni - neutroni izazivaju fisiju s drugim jezgrama urana 1. U NUKL NUKLEA EARN RNOM OM REA REAKT KTOR ORU U – kont kontro roli lira ran n proc proces es a) udio urana u gorivu vrlo malen (3%) ne može nastati eksplozija b) kontrolne šipke – reguliraju jakost lančanog procesa - povećanje br. lanačanih reakcija – šipke se izvuku iz reaktora - smanjenje br. lančanih reakcija – šipke se spuštaju u reaktor napravljene od materijala koji upija neutrone c) spor sporij ijii neut neutro roni ni učin učinko kovi viti tija ja fisi fisija ja (vod (voda a i graf grafit it – usporavanje neutrona) - Energ Energija ija fusije fusije oslob oslobađa ađa se u obliku obliku topline koja se vodom prenosi na generator pare za pogon parne turbine U ATOMSKIM BOMBAMA – eksplozivna reakcija - velika koncentracija urana-235 urana-235 u eksplozivu (90%) - niz nuklearnih reakcija u kojima neutron-projektil pogađa uran - uran ga apsorbira, a potom se cijapa na 2 lakše jezgre i nekoliko slobodnih neutrona oslobađajući oslobađajući veliku količinu energije - jezgre-kćeri: 15461 Ba i 3962 Kr 141 235 1 92 1 92 U + 0 n 56 Ba + 36 Kr + 3 0 n E = 5,678 ∙ 1023MeV ≈ 25274kWh
NUKLEARNA FUZIJA -
spajanje lakih jezgara (spuštanje niz lijevu padinu) EP po nukleonu se smanjuje – razlika početne i konačne E se oslobađa izvor energije u zvijezdama - nuklearna fuzija vodika u helij - na Zeml Zemlji ji ne ne možem možemo o opona oponaša šati ti fuzij fuzijsk ske e proces procese e na Sunc Suncu u - fuzija jezgara vodika-2 (deuterija) i vodika-3 (tricija) – nastaje jezgra helija-4 i izlijeće slobodni neutron uz oslobađanje energije
3
2 1
3
4
H + 1 H 2 He He
-
-
+
1 0
n
+ 17,6MeV
Termonuklearna fuzija za fuziju potrebna velika količina E K – svladavanje odbojne el. sile i približavanje na doseg „jake sile“ na visokoj temperaturi = 100 000 000K TERMONUKLEARNA FUZIJA prednosti fuzijske energije : 1. energija puno veća (E P je znatno smanjena) 2. proces proces „čist“ „čist“ – nema radiokati radiokativnog vnog otpada otpada 3. rezerv rezerve e gor goriva iva golem goleme e HIDROGENSKA BOMBA – fisija služi kao upaljač za fuziju 1 2 3 4 He + 0 n 1 H + 1 H 2 He - oslobođena energija = 2,645 ∙ 1024MeV ≈ 117 731kWh Dobivanje deuterija i tricija: - Deuter Deuterij ij – običn obična a voda voda - Tricij Tricij – sporedni sporedni produk produktt pri fuziji fuziji 1 1 7 4 3 He + 0 n 3 Li + 0 n 1 H + 2 He
DEFEKT MASE I ENERGIJA VEZANJA ATOMSKE JEZGRE
- Ukupna masa slobodnih protona i neutrona Zmp + Zmn - Z protona i Z neutrona se spoje u atomsku jezgru – masa jezgre -
-
-
-
manja je od mase slobodnih nukleona m(Z,N) = Zmp + Zmn – Δm Δm = razlika između ukupne mase koju nukleoni imaju kada su slobodni i mase jezgre kada su ti nukleoni vezani defekt mase Energija vezanja – energja koja se oslobađa spajanjem Z protona i N neutrona u atomsku Jezgru ΔE = Δm ∙ c 2 c = 3 ∙ 108m/s U NUKL NUKLEA EARN RNIM IM REAK REAKCI CIJA JAMA MA - Ako iz jezgara, u kojih je energija vezanja veća tj. defekt mase veći, nastaju jezgre u kojih je energija vezanja manja (defekt mase manji) defekt mase nastalih jezgara se smanji, a razlika energija vezanja oslobodi Srednja nukleonska masa m - masa jezgre / ukupan broj nukleona u jezgri m ( Z , N )
=
m ( Z , N ) Z + N
- najveća srednja nukleonska masa vodik-1 (samo 1 proton) - najmanja srednja nukleonska masa željezo-56 (26 protona i 30 neutrona) 4
m ( Z , N )
5 6
m ( 26 F e
−
)
RADIOAKTIVNOST - RADIOAKTIVNI PROCES ili RASPAD – svaki proces u kojemu se
-
1.
atomska jezgra spontano mijenja, bez vanjskog utjecaja - Čestice koje jezgra pritom emitira – radioaktivno značenje 1. GAMA GAMA-ZR -ZRAČ AČEN ENJE JE - Energi Energijsk jska a stanj stanja a atom atomske ske jezgre jezgre:: osnov osnovno, no, prvo prvo pobuđeno, drugo pobuđeno... - Karakterističan Karakterističan energetski spektar (E 106× veća nego kod atoma) - Energije stanja ≈ 10 6eV = 1MeV E, tj. na neku nižu jezgra spontano prelazi u niže stanje E, energijsku razinu i pri tome zrači foton energije Energija fotona = E početna – Ekonačna nema promjene u građi - elektromagnetno zračenje koje emitiraju atomske jezgre = gama-zračenje - fotoni = gama-fotoni - radioaktivni gama-raspad – proces pri kojemu atomske jezgre emitiraju gamaZračenje - gama-radioaktivna jezgra – atomska jezgra koja emitira gama-zračenje - Gama Gama-f -fot oton onii – prod prodor orni ni,, ošte ošteću ćuju ju tki tkiva va Jezgre u atomima na Zemlji većinom u osnovnom stanju Radioaktivne jezgre koje su nestabilne u svom osnovnom stanju spontano se raspadaju. RASPADI KOJIMA SE MIJENJA GRAĐA JEZGRE: JEZGRE: ALFA-RADIOAKTIVNOST - Radioaktivne jezgre spontano emitiraju dva protona i dva neutrona u obliiku jezgre 24 He He alfa-radioaktivnost ili alfa-raspad Alfa-radioaktivne jezgre - Alfa-radioaktivne jezgre (Z-2 p+ i N-2 n0) + - jezgra roditelj (Z p + i N n0) jezgra kćer (Z-2 alfa 4 A A 4 X → Y + H e čestica ( 2 Z Z 2 4 He ) pr pr .226 Ra Ra →222 Ra Ra +4 2 He −
−
88
86
2
2. BETA-R BETA-RADI ADIOAK OAKTIVN TIVNOST OST - Beta-radioaktivne jezgre mijenjaju građu tko da se jedan neutron pretvori u proton ili obratno a) beta-minus raspad
5
- neutron se pretvara u proton - iz jezgre izlijeću elektron i antineutrino - jezgra roditelj (Z,N) jezgra-kćer (Z+1, (Z+1, N-1) N-1) + e- + antineutrino A Z
A X → Y +− e + ν Z + 1
135
pr .
52
Te
0
0
1
0
135
0
0
→53 Te +−1 e +0 ν
- Antineutrino – čestica bez mase i električnog naboja
b) beta-plus raspad - proton se pretvara u neutron - iz jezgre izlijeću antielektron i neutrino N+1) + - jezra-roditelj (Z,N) jezgra-kćer (Z-1, (Z-1, N+1) antielektro + neutrino A Z
0 0 A X → Z −1Y +1 e +0 ν
135 pr .13651 Pm → 60 Pm
0
0
+1 e +0 ν
- Antielektron – jednaka masa kao elektron, ali suprotan naboj (= naboju protona) pozitron Neutrino – čestica bez mase i naboja
VRIJEME POLURASPADA: POLURASPADA: -
-
Raspada Raspa da se 50% 50% poče početno tnog g broja broja radi radioa oakti ktivni vnih h jezgar jezgara a -12 Za gama-raspad vrlo kratko ≈ 10 s, a za alfa i beta od djelića sekunde do više milijarda godijna N (t )
N 0 e
=
t λ
−
λ
=
ln 2 T 1, 2
−
N (t )
=
N 0 2
t
T 1, 2
N(t) = broj neraspadnutih jezgri N0 = broj početnih jezgri - Ne postoji razlika između starih i mladih jezgri (jednaka je vjerojatnost da se raspadne vrlo mlada jezgra i vrlo stara) atomske jezgre ne stare AKTIVNOST (brzina raspada)– raspada)– broj raspadnutih čestica u vremenu A
=
N −∆ ∆ t
N =λ
(s-1=Bq – Becquerel)
DETEKCIJA IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA - Alfa i beta čestice te gama-fotoni prolazeći kroz tvar izbacuju -
elektrone iz atoma i molekula na koje nalijeću Prolaskom radioaktivnih čestica se oslobađaju elektroni kationi Takvo djelovanje zračenja na tvar = ionizacija Nastaju: slobodni elektroni i kationi u el. polju postaju nositelji el. struje (otkrivanje radioaktivnog zračenja) Ionizirajuće Ioniziraju će zračenje zračen je detektiramo detek tiramo pomoću pomo ću: - Geiger-Müllerovog brojača - Willsonove komore - ionizacijske komore - poluvodičkih detektora
DJELOVANJE IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA NA ČOVJEKA 6
-
Posljedic Posljedica a ioniz ioniziraj irajućeg ućeg djelovanja djelovanja – poveća povećanje nje energije energije atoma atoma i molekula u tvari - Prolaskom čestice radioaktivnog zračenja kroz tvar duž njezina puta nastaje kation i slobodni e - Specifična ionizacija = broj iona nastalih po jedinici dužine puta - ovsi o vrsti zračenja (najveća za alfa-zračenje, alfa-zračenje, manja za beta, a najmanja za gama-zračenje) - Gama-zračenje najsporije gubi E pri prolasku kroz tvar prodorno, štetno, razara tkiva - Alfa-zračenje – izvana padne na tijelo – ne dopire do organa - uneseno u tijelo – djeluje vrlo razorno na osjetljive organe APSORBIRANA DOZA - Energ Energija ija koj koju u ozrače ozračena na tvar tvar upija upija po po jednom jednom kilo kilogra gramu mu mase mase D
E =
m
jedinica: grej
Gy
J =
kg
EKVIVALETNA DOZA - Škodljiv Škodljivii utjecaj utjecaj ionizira ionizirajućeg jućeg zračenja zračenja na tkivo izloženo izloženo zračenju zračenju H = D ∙ Q jed jedinic inica: a: siver ivert, t, Sv VRSTA ZRAČENJA Faktor učinka Q Rendgensko zračenje 1 Gama-zračenje 1 Beta-zračenje 1 Neutronsko zračenje 10 Alfa-zračenje 20
7
