l199 - fizika - fizika atomskog jezgra - milena petrović - slavoljub radulović
Post on 25-Jun-2015
4.036 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
FIZIKA ATOMSKOG JEZGRA
Milena Petrović - Aleksinačka gimnazijaprof. Slavoljub Radulović
Uvod Atomsko jezgro je kvantno – mehanički sistem
koji se pokorava zakonima kvantne mehanike Stanja u jezgru opisuju se talasnom funkcijom,
koja je rešenje Šredingerove talasne jednačine Sastavni delovi atomskog jezgra su nukleoni –
protoni (pozitivno naelektrisane čestice) i neutroni (elektroneutralne čestice)
Za opisivanje nukleona u atomskom jezgru uvedena su četiri kvantna broja
Nukleoni su čestice sa spinom ½ i pokoravaju se Paulijevom principu isključenja (ne mogu postojati dva nukleona u istom energetskom nivou atomskog jezgra sa sva četiri ista kvantna broja)
JEDINICE U FIZICI MIKROSVETA
Sve veličine kojima se opisuje atomsko jezgro mogu se izvesti iz osnovnih veličina Međunarodnog sistema (SI)
Isto se odnosi i na njihove merne jedinice Međutim, iz praktičnih razloga, često se koriste
dodatne (vansistemske) merne jedinice Atomska jedinica mase je dvanaesti deo
mase atoma ugljenika 6C12
Označava se sa u i iznosi : u= 1,6605 * 10-27 kg Jedinica vremena u nuklearnoj fizici je vreme reda
veličine 10-23 s Elektronvolt (eV) – jedinica energije u nuklearnoj
fizici 1 ev = 1,6 * 10-19 J
OSNOVNE KARAKTERISTIKE JEZGRA
Osnovne karakteristike jezgra su : masa, količina naelektrisanja, redni broj i spin
Masa jezgra približno je jednaka ukupnoj masi nukleona
Masa mirovanja protona i neutrona su približno jednake (mp= 1,673 * 10-27 kg; mn= 1,675 * 10-27 kg)
Masa mirovanja elektrona iznosi me= 9,108 * 10-31 kg
Odnos mase protona i mase elektrona je : mp/ me = 1836,12
Atomsko jezgro određeno je rednim brojem (Z), masenim brojem (A) i brojem neutrona (N)
Redni broj određuje ukupan broj protona u atomskom jezgru, a kako je atom u celini elektroneutralan, redni broj, istovremeno, određuje i broj elektrona u elektronskom omotaču
Ukupan broj protona (Z) i neutrona (N) naziva se maseni broj (A) : A = Z + N
PRIKAZ ODNOSA BROJA NEUTRONA I PROTONA U JEZGRU
Atomska jezgra sa jednakim rednim brojevima, a različitim masenim brojevima (tj. sa različitim brojem neutrona) nazivaju se izotopi
Na primer, vodonik ima tri izotopa - običan vodonik, deuterijum i tricijum:
1H1 1H2
1H3
Atomska jezgra sa jednakim masenim brojevima, a različitim rednim brojevima, nazivaju se izobari:
18Ar40 20Ca40
Jezgra sa istim brojem neutrona nazivaju se izotoni:
6C13 7N14
DIMENZIJE JEZGRA Dimenzije jezgra su prvobitno bile
procenjene na osnovu rezultata ogleda rasejanja α – čestica na jezgrima metalnih folija (Raderfordov eksperiment)
Preciznije su bile određene na bazi rezultata rasejanja neutrona na jezgrima
Strukturni nivoi materije u domenu mikrosveta prikazani su na sledećoj slici:
Do sada su otkrivene različite podstrukture supstancije i njihove dimenzije: molekul, atom, jezgro, neutron ili proton i kvark
Radijus atomskog jezgra može se odrediti pomoću formule:
r = r0 * A1/3
gde je r0 – radijus jezgra vodonikovog atoma
(r0 =1,4 * 10-15 m)
OSNOVNE INTERAKCIJE U PRIRODI
Sa stanovišta današnje fizike, sve interakcije u prirodi mogu se svesti na četiri osnovne sile:
- gravitaciona - elektromagnetna- slaba nuklearna sila- jaka nuklearna sila Za izučavanje atomskog jezgra,
neophodno je poznavanje jake nuklearne sile
JAKA NUKLEARNA SILA Između nukleona u atomskom jezgru, pored
odbojne električne sile, deluje i jaka nuklearna sila, koja se suštinski razlikuje od svih, do sada upoznatih sila u prirodi
Odlike:- nuklearna sila je izuzetno velikog intenziteta- kratkog je dometa- ne zavisi od naelektrisanja- nije centralna- ima svojstvo zasićenosti (pri promeni broja
nukleona u jezgru, ne menja se gustina jezgra)
Grafikon nuklearne sile između dva nukleona u funkciji rastojanja
SPIN I MAGNETNI MOMENT JEZGRA Proučavanjem strukture atomskih spektara
otkriveno je da svaka od dveju natrijumovih D – linija ima dvojni karakter, odnosno da se sastoje od dve veoma bliske linije, čije se talasne dužine neznatno razlikuju
Natrijumova spektralna linija D2 (λ = 589,00 nm) raščlanjena je na dve podlinije, čije se talasne dužine razlikuju za svega 0,0021 nm, a linija D1 (λ = 589,59 nm) takođe na dve podlinije, čije su talasne dužine međusobno pomerene za 0,0023 nm
Pauli je pretpostavio da je hiperfina struktura spektralnih linija posledica postojanja spina atomskih jezgara
Pošto se spinovi nukleona slažu po parovima, spin jezgra, koje se sastoji od parnog broja nukleona (bozoni), jeste ceo broj ili nula
Jezgra sa neparnim brojem nukleona (fermioni) mogu imati samo polucele brojeve spina
Atomsko jezgro se karakteriše i postojanjem magnetnog momenta
Svaki nukleon u jezgru ima sopstveni magnetni moment
Formula magnetnog momenta je:
µn = e/2mp * ћ
Vrednost nuklearnog magnetona je 1836 puta manja od vrednosti Borovog magnetona
DEFEKT MASE I ENERGIJA VEZE
Pojava da je masa atomskog jezgra u celini manja od zbira masa slobodnih nukleona, naziva se defekt mase
Slobodni nukleoni, ulazeći u sastav jezgra, podležu uticaju jake nuklearne sile i pri tome gube deo energije
Prema Ajnštajnovoj formuli Е = m * c2 , gubitak energije povlači i gubitak mase
Tako se pojavljuje “manjak” mase atomskog jezgra u odnosu na ukupnu masu nukleona u slobodnom stanju
Formula za defekt mase je: ∆M = Zmp + (A – Z)mn – Mj
Energija veze (Ev) je energija koju je potrebno uložiti za razlaganje jezgra, odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra
Što je energija veze veća, veća je i stabilnost jezgra
Ev = ΔMc2
Primer za defekt mase i energiju veze kod jezgra atoma helijuma, koje sadrži dva protona i dva neutrona:
Zavisnost energije veze po nukleonu od masenog broja A:
STABILNOST ATOMSKOG JEZGRA Najstabilnija jezgra imaju jednak broj
protona i neutrona Kod masivnijih jezgara, energija veze po
nukleonu u toj meri opadne da je nedovoljna da održi jezgra u stabilnom stanju, pa dolazi do pojave spontanog radioaktivnog raspada
RADIOAKTIVNI RASPAD
Pri spontanoj dezintegraciji (raspadu) nestabilnih masivnih jezgara dolazi do emisije izvesnih čestica i/ili visokoenergetskih fotona – radioaktivno zračenje
Radioaktivnost je otkrio Bekerel 1896. godine
Radioaktivni raspad je slučajan, statistički proces – ne može se tačno predvideti koje jezgro će se u kom trenutku raspasti, ali se može odrediti broj jezgara koji će se raspasti posle izvesnog intervala vremena
ZAKON RADIOAKTIVNOG RASPADA Zakon radioaktivnog raspada definiše broj
neraspadnutih jezgara (N) radioaktivnog elementa nakon proteklog vremena t:
N = N0e-λt ili N = N02-t/T
λ - konstanta radioaktivnog raspada Vreme poluraspada je vremenski interval za
koji se raspadne polovina od ukupnog broja atomskih jezgara radioaktivnog elementa:
T1/2 = ln2/ λ
VRSTE RADIOAKTIVNOG RASPADA 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
U radioaktivnim raspadima jezgara važe opšti zakoni fizike – zakoni održanja mase/energije, naelektrisanja, količine kretanja (impulsa) i momenta količine kretanja, a njima se dodaje i zakon održanja broja nukleona u procesu dezintegracije jezgra
α - radioaktivni raspad
U α-raspadu se emituje α-čestica (jezgro helijuma, pozitivno naelektrisana čestica), pri čemu se dešava tzv. transmutacija jezgra, proces promene jezgra jednog u jezgro drugog elementa
Energija oslobođena u radioaktivnom raspadu se raspodeljuje na kinetičke energije proizvoda koji nastaju
Za vreme α-raspada, može se formirati i emitovati i kvant γ-zračenja
zXA → z-2YA-4 + 2α4
Primer:
92U238 → 90Th234 + 2α4
β - radioaktivni raspad
Postoje tri vrste β-raspada: β− -raspad, β+ -raspad i K-zahvat
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), bez naelektrisanja, antičestica neutrina
Primer:
0n1 → 1p1 + -1e0 + ν
zXA → z+1YA + -1e0 + ν
90Th234 → 91Pa234 + -1e0 + ν
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
1p1 → 0n1 + +1e0 + ν zXA → z-1YA + +1e0 + ν
U K-zahvatu se jezgro oslobađa viška energije zahvatom elektrona iz atomske orbitale (najčešće K-ljuska, glavni kvantni broj n=1), pri čemu se proton jezgra transformiše u neutron, a jedina emitovana čestica je neutrino
1p1 + -1e0 → 0n1 + ν
γ - radioaktivni raspad
γ-raspad obično sledi nakon α- ili β-raspada, kada nastala jezgra nisu u osnovnom (stabilnom) stanju, već u nekom pobuđenom stanju
γ-raspad je prelaz jezgra iz pobuđenog u niže energetsko ili osnovno stanje, što je praćeno emisijom visokoenergetskog γ-kvanta i tzv. internom konverzijom
z XA → z XA + γ
Radioaktivni raspad – radioaktivni niz
Radioaktivni niz čine serije radioaktivnih transformacija jezgara, gde se od jednog jezgra, na kraju niza, dospeva u sasvim drugi, ali stabilni oblik, u vidu drugog hemijskog elementa
top related