1

1. Clasificarea particulelor fundamentale;

Particulele fundamentale se mpart n trei clase mari: fotoni, leptoni i hadroni. Fotonul (). Noiunea de foton a fost introdus n anul 1905 de ctre Einstein, ca fiind o particul cu energia , masa de repaus , fr sarcin electric i spin egal cu 1.

Leptonii sunt particule uoare cu spin (fermioni) i cuprind urmtoarele particule: electroni , miuoni , leptonul , neutrino electronic , neutrino miuonic .

Mezonii sunt formai din pioni (), kaoni () i mezonul eta (), dar i din antiparticulele acestora.

2. Caracteristicile nucleului: numrul atomic de mas, numrul de sarcin, izotopii i izobarii atomici, unitatea atomic de mas, raza nucleului;

Numrul de mas este reprezentat de numrul total de nucleoni . Nucleele care au acelai numr de ordine dar au mase diferite se numesc izotopi. Nucleele avnd acelai numr atomic de mas , dar numere de ordine diferite, se numesc izobari.

Masa nucleului fiind foarte mic nu se exprim n kilograme, ci n uniti de mas atomice (u). Unitatea de mas atomic este numeric egal cu a dousprezecea parte din masa izotopului carbon 12 () i are valoarea .

Raza nucleului. Experienele de difuzie cu electroni energetici, cu protoni sau neutroni au artat c nucleele nu au o limit net. Considernd volumul unui nucleon, atunci volumul unui nucleu ce conine nucleoni este , de unde rezult pentru raza nucleului formula:

cu

3. Defectul de mas; Energia specific de legtur a unui nucleon;

Se constat c ntre masa unui nucleu calculat cu formula (15.8) i masa determinat experimental exist ntotdeauna o diferen:

(15.9)

Mrimea se numete defect de mas, iar mrimea se numete energie de legtur. Energia de legtur a unui nucleu este egal cu energia necesar dezintegrrii nucleului n particulele sale componente.

Energia specific de legtur sau energia de legtur medie a unui nucleon n nucleu este definit prin relaia:

Ea d informaii importante despre stabilitatea nucleelor. O valoare mare a energiei de legtur nseamn o stabilitate mare a nucleului (nucleonii sunt legai mai puternic).

4. Fore nucleare; raza de aciune a forelor nucleare; Teoria mezonic a forelor nucleare;Din stabilitatea nucleelor rezult c ntre nucleoni se manifest fore de interacie numite fore nucleare. Forele nucleare au urmtoarele caracteristici:- sunt fore atractive; - sunt cele mai intense fore de interacie;- forele nucleare care se manifest ntre doi protoni, doi neutroni sau ntre un proton i un neutron sunt identice;

- forele nucleare acioneaz pe distane foarte scurte. Distana pe care se manifest aciunea acestor fore este numit raz de aciune a forelor nucleare i are valoarea de 1 fermi ();

- forele nucleare au caracter de saturaie, n sensul c fiecare nucleon poate interaciona cu un numr finit de ali nucleoni. Saturaia apare n jurul lui ;- forele nucleare nu sunt de tip central. Ele depind de distana dintre nucleoni, dar i de orientarea spinilor acestora.Teoria mezonic a forelor nucleare a fost elaborat prin analogie cu electrodinamica cuantic ce consider c transmiterea interaciilor se face prin intermediul unor particule de cmp, fotonul n cazul interaciilor electromagnetice. Tamm a presupus c interacia dintre nucleoni se face prin intermediul unei particule uoare. Ideea a fost preluat i dezvoltat de fizicianul japonez Yukawa (1935), care a presupus c rolul de cuant a cmpului nuclear este jucat de o particul neutr, cu masa cuprins ntre 200 i 300 de mase electronice.

5. Modelul pictur de lichid a nucleului. Formula lui Weizsacker;Modelul "pictur de lichid" fost creat de Niels Bohr (1936) care a considerat nucleul asemntor cu o pictur electrizat de lichid. n elaborarea acestui model, Bohr a fost condus de existena unor similitudini ntre nucleu i o pictur de lichid.

Modelul pictur de lichid permite calculul energiei de legtur (v. Fig.15.1) n funcie de numrul de ordine i de numrul atomic de mas . Aceast formul (semiempiric) a fost stabilit n 1935 de ctre Bethe i Weizsacker:

unde:

- reprezint energia de condensare a lichidului nuclear;

- este energia stratului superficial (energia stratului superficial este proporional cu suprafaa, care este proporional cu ptratul razei. Cum n modelul pictur de lichid raza nucleului este , se obine expresia n cauz);

6. Modelul n pturi al nucleului;

Acest model a fost introdus de Mayer, Blatt, Weisskapf, Wiley, Jensen, Eisbund i Wigner. n acest model se admite c structura energetic a nucleului este asemntoare cu structura energetic a electronilor n atom. Interacia puternic dintre nucleoni i dimensiunea redus a nucleului este explicat cu ajutorul unei gropi sferice de potenial ().Modelul n pturi are aplicabilitate redus. El este valabil pentru nuclee sferice aflate n starea fundamental sau puin excitat. Acest lucru este dictat de ipotezele fcute: groap cu simetrie sferic i absena interaciilor dintre nucleoni.

7. Radioacivitatea; Legea dezintegrrilor radioactive; Constanta dezintegrrilor radioactive;Timpul de njumtire; Durata medie de viaa.

Radioactivitatea const n transformarea spontan a unui nucleu n nucleul altui element chimic prin emisia de particule.Radioactivitatea este de dou tipuri: natural i artificial (specific unor izotopi obinui n laborator prin bombardare cu alte particule). Radioactivitatea natural a fost descoperit de Henri Becquerel (1896) care a constatat impresionarea unor plci fotografice cnd acestea erau inute aproape de o sare a uraniului.

Aceasta reprezint legea dezintegrrii radioactive. Ea este o lege statistic i valabilitatea ei dispare dac numrul de nuclee nu este suficient de mare.

Timpul de njumtire este intervalul de timp dup care numrul de nuclee care au rmas nedezintegrate scade la jumtate din numrul iniial:

(15.24)

Durata medie de via a unui nucleu poate fi calculat conform fizicii statistice, innd cont de probabilitatea de dezintegrare a nuclidului.

8. Activitatea unei surse radioactive; Unittile de msur ale activitii unei surse;

Definim activitatea a unei surse radioactive ca fiind numrul de dezintegrri din unitatea de timp:

(15.26)

unde este activitatea iniial a sursei. Unitile de msur a activitii radioactive sunt Becquerel-ul i Curie-ul. Becquerelul reprezint activitatea unei surse care sufer o dezintegrare ntr-o secund. Curie-ul este o unitate utilizat mai des i reprezint aproximativ activitatea unui gram de radiu: dezintegrri/secund.

Unitatea de masura a activitatii sursei n S.I. este Becquerel (1Bq = descarcare /secunda).1 Curie = 3,7Bq reprezinta activitatea unui gram de radiu.

9. Transmutaii radioactive; Echilibrul secular;n urma unei dezintegrri radioactive se obine un nucleu care, la rndul lui, poate fi radioactiv, transformndu-se ntr-un alt nucleu .a.m.d. Legea de variaie n timp a numrului de nuclee obinute prin transmutaii radioactive (filiaii radioactive) nu mai este de tip exponenial ca n relaia (15.23).

S considerm un eantion format dintr-un element radioactiv , caracterizat de o constant radioactiv i care conine la momentul nuclee. Nucleul se transform n nucleul care la rndul lui este radioactiv, avnd constanta de dezintegrare . Nucleul trece n nucleul care este stabil din punct de vedere radioactiveDaca intr-o serie radioactiva timpul de injumatatire al capului de serie este mult mai mare decat oricare alt timp de injumatatire al celorlalti termeni ai seriei, atunci, dupa un anumit interval de timp intre membrii seriei radioactive se stabilestestarea de echilibru secular. Se obtine ca activitatile tuturor membrilor seriei sunt egale, adica:10. Dezintegrarea alfa. Serii radioactive;Prima particula radioactiva despre care vom vorbi este particula alfa, rezultata in urma unui proces numit dezintegrarea alfa. Dezintegrarea alfa are loc atunci cand un nucleu greu emite un nucleu de heliu incarcat pozitiv (particula alfa), constand din doi protoni si doi neutroni, devenind un atom cu numarul atomic mai mic cu doi decat valoarea initiala. Cel mai des intalnit in natura izotop al uraniului, U-238, se descompune in urma acestui tip de dezintegrare nucleara.

Analiza sistematic a radioactivitii a artat c exist patru serii radioactive. Numrul atomic de mas al unei serii radioactive variaz dup formula general , iar .

Pentru se obine seria thoriului, care ncepe cu i se termin cu .

Pentru se obine seria uraniului, care ncepe cu i se termin cu .

Pentru se obine seria actiniului, care ncepe cu i se termin cu .

Seria (seria neptuniului ) nu exist n mod natural, dar ea a putut fi creat artificial.

11. Dezintegrarea beta; Neutrino-ul electronic;Dezintegrarea beta consta in transformarea unui neutron intr-un proton, reactie insotita de emisia unui electron si a unei particule de masa extrem de mica si fara sarcina electrica numita anti-neutrino. Electronul emis poarta numele de particula beta iar acest tip de reactie se mai numeste si descompunerea beta-minus, prin asociere cu sarcina electrica a electronului emis. Izotopul de hidrogen numit tritium (3H) sufera acest tip de dezagregare radioactiva. Particula beta, incarcata negativ din punct de vedere electric, poate parcurge distante mai mari decat particula alfa despre care am amintit ca penetra cu greutate orice tip de material. Totusi, in urma coliziunilor si interactiunilor cu unii atomi isi pierde si aceasta energia, una mult superioara celei a particulei alfa. Desi poate trece cu usurinta prin hartie, o folie de aluminiu constituie un obstacol de netrecut in calea unei asemenea particule.

Neutrinul este o particul fr sarcin, cu spin i mas foarte mic, . Ultimele determinri dau pentru echivalentul energetic al masei neutrinului valoarea . Acesta este motivul pentru care interacia neutrinilor cu substana este foarte redus, atenuarea lor fiind foarte slab, iar analiza neutrinilor existeni n radiaia cosmic d informaii despre originea Universului.

12. Dezintegrarea gamma;Dezintegrarea gama este un tip de radioactivitate n forma ei cea mai comun, n care nucleul instabil al unui atom pierde energie prin emisie gama, producnd raze gama. Dezintegrarea gama include la rndul ei alte dou procese i anume conversia intern i generarea intern. n conversia intern, energia suplimentar dintr-un nucleu este transferat spre unul dintre propriii electroni de pe orbita acestuia, iar electronul se desprinde de atom. n generarea intern, energia suplimentar este convertit ntr-un electron i un pozitron, care sunt emii mpreun. Timpii de njumtire obinuii pentru emisia gama variaz ntre 10-9i 10-14secunde.

13. Datarea fosilelor biologice prin metoda carbon 14;

. Datarea fosilelor biologice prin metoda carbon 14. Este o metod des utilizat n arheologie. Metoda folosete izotopul -activ al carbonului . Acest izotop se formeaz n urma interaciei radiaiei cosmice cu azotul din atmosfer. Timpul lui de njumtire este de 5570 ani. Se consider c rata de producere a izotopului nu s-a modificat de-a lungul timpului, astfel nct raportul dintre numrul de atomi i a rmas constant n timp. Acest raport rmne constant i n esutul unei plante sau animal, atta timp ct acestea sunt n via. Dup moarte, procesul de asimilare prin hran a izotopului nceteaz.

14. Datarea rocilor uranifere;

Datarea rocilor. Prezena plumbului ntr-o roc uranifer este urmarea dezintegrrii uraniului (filiaie nuclear). Considernd c o roc coninea nuclee de uraniu la momentul , atunci dup un timp unele nuclee se vor transforma n nuclee de plumb, astfel c . Din legea dezintegrrii radioactive:

(15.52)obinem:

15. Reacia nuclear; Schema general a unei reacii nucleare; Legi de conservare ntr-o reacie nuclear;Cldura de reacie. Reacii exoterme, reacii endoterme;

Reacia nuclear reprezint ansamblul de fenomene care se produc n urma ciocnirii unui nucleu de ctre alt nucleu, particul (neutron, proton, particul ) sau de ctre un foton. Simbolic, reacia poate fi reprezentat prin

.ntr-o astfel de reacie nuclear avem urmtoarele legi de conservare:- legea de conservare a impulsului:

(15.57)- legea de conservare a sarcinii:

(15.58)- legea de conservare a numrului barionic (numrul de nucleoni nu se modific n cursul reaciei):

(15.59)- legea de conservare a numrului leptonic:

(15.60)- legea de conservare a spinului;- legea de conservare a energiei relativiste:

(15.61)

unde este energia cinetic, iar este energia relativist de repaus.

Mrimea definit prin relaia:

(15.62)se numete cldur de reacie. Dup semnul caldurii de reacie, reaciile nucleare pot fi: reacii exoterme (atunci cnd cldura este pozitiv, se degaj cldur) sau reacii endoterme (cnd cldura este negativ, adic se absoarbe cldur).

16. Energia de legtur a unui neutron ntr-un nucleu;

S considerm un nuclid care emite un neutron conform reaciei:

(15.63)

unde am notat cu energia de legtur a neutronului n nucleu.Rezult:

(15.64)

unde este masa neutronului, este masa nucleului i este masa radionuclidului iniial .Pe de alt parte, tim c masa unui nucleu este mai mic dect masa particulelor din care este fcut acesta. O parte din mas, defectul de mas, o regsim n energia de legtur.

17. Energia de legtur a unui protron ntr-un nucleu;

Energia de legtur a protonului n nucleu poate fi obinut n aceeai manier, considernd o reacie nuclear de tipul:

(15.68)Se obine:

(15.69)

Efectund aceste calcule pentru elementele naturale (din tabelul lui Mendeleev) se obin relaiile i , de unde se poate trage concluzia c aceste elemente nu pot s se dezintegreze n mod natural conform reaciilor (15.63) i (15.68). Radioactivitatea poate fi creat artificial, obinndu-se o constant de dezintegrare foarte mare, cu activitate foarte puternic, dar pe durate de timp reduse.

18. Reacia de fuziune. Exemple, aplicaii;

Reacia de fuziune const n unirea elementelor uoare i obinerea unor elemente chimice mai grele. A fost descoperit n 1920-25 la bombardarea gheii grele cu un fascicol de deuteroni (). n urma acestui tip de reacie se elibereaz o cantitate de energie mai mare dect n cazul reaciei de fisiune. Reacii de fuziune au loc n stele.Reacii analoge de fuziune, ca de exemplu fuziunea nucleelor de heliu

19. Reacia de fisiune. Exemple de aplicaii;

Reacia de fisiune const n spargerea unui nucleu greu prin bombardarea cu neutroni. A fost descoperit de Otto Hahn i F. Strassmann n 1939, care au spart nucleul de uraniu prin bombardarea cu neutroni. Teoria procesului de fisiune a fost elaborat de I.I. Frenkel, N. Bohr i J.A. Wheeler. Enrico Fermi a realizat n 1942 primul reactor nuclear din lume bazat pe reacia de fisiune. 1). Reacia cu neutroni leni (termalizai pe parafin sau ap grea 2). Reacia cu neutroni rapizi este o reacie cu combustibil regenerabil i ea este utilizat de statele nvingtoare n cel de-al doilea rzboi mondial

20. Detectori de radiaie;

Detectorii de radiaii nucleare reprezint sisteme care pun n eviden existena radiaiilor nucleare i permit determinarea calitativ sau cantitativ a unora dintre caracteristicile lor: numrul de particule nucleare, energia, masa particulelor, etc. Detectorul de radiaii nucleare convertete particulele incidente pe suprafaa sa activ n semnal electric (sarcin sau tensiune) sub form de impulsuri. Detectorul de radiaii este format, de regul, din dou pri componente: corpul de detecie propriu-zis const dintr-un mediu n care radiaia nuclear produce un efect specific sistemul de nregistrare a efectului produs de particul asigur amplificarea i prelucrarea semnalului obinut