Elementi atomske i nuklearne

fizike

1. Struktura atoma. Nuklearne sile.

2. Radioaktivnost. Nuklearne reakcije.

3. Radioaktivno zračenje - primer: primena i zaštita

GRAĐA ATOMAAtom :

- pozitivno naelektrisan nukleus (jezgro)

- omotač negativno naelektrisanih elektrona.

Nukleus

- manji od deset-hiljaditog dela ukupne veličine atoma.

- sadrţi više od 99,9% atomske mase.

- sastoji se od pozitivno naelektrisanih čestica (p) i elektroneutralnih čestica (n) koje na okupu drţi jake nuklearne sile.

mp ~ mn

mp ~ 1840 me

Nuklearne sile su

- 100 x snaţnije od elektrostatičke sile koja vezuje elektrone za

nukleus, ali je njen domet ograničen na razdaljinu reda veličine 10-15 m

- nezavisne od naelektrisanja, ( nuklearne sile su jednake izmeĎu

dva protona, dva neutrona, ili protona i neutrona).

- obezbeĎuje stabilnost atoma.

ATOMAtomski broj (broj protona u nukleusu) → ZodreĎuje fzičke i hemijske osobine atoma.

Broj neutrona → N.

Maseni broj → A=Z+N.

Izotopi → atomi istog elementa koji semeĎusobno razlikuju po broju neutrona u jezgru.

Neutralni atom → broj elektrona je jednak broju protona u jezgru.

Joni → atom izgubi ili dobije elektron (ne menja mu se broj protona i neutrona)

Do sada je poznato 118 elemenata,

MeĎu elementima postoji otprilike 270 stabilnih izotopa i više od 2000 nestabilnih izotopa.

JONI

• Atom je u celini elektroneutralan . Broj protona jednak

je broju elektrona a svaki od njih je nosilac elementarne

količine, ali naelektrisanja suprotnog znaka.

• Otpuštanjem ili primanjem elektrona nastaju

pozitivno ili negativno naelektrisane čestice – joni.

Kada se jon natrijuma i jon hlora veţu dobijamo molekul......

Koje vrste interakcija karakterišu elementarne čestice ?

Koje transformacije jezgra su moguće ?

Koji procesi u okviru nuklearne fizike mogu biti iskorišćeni u praktične svrhe?

Nuklearna fizika istraţuje strukturu, svojstva, uzajamna delovanja i transformacije atomskih jezgara i njihovih sastavnih delova.Nuklearna fizika odgovara na pitanja kao što su:

RADIOAKTIVNOST1896. Henri Bekerel (Henri Becquerel), francuski fizičar,

Senka ključa na fotoosetljivoj ploči i ruda od uranijuma.

Radioaktvini materijali koji emituju prodornezrake iz jezgra atoma zbog radioaktivnog raspadanja.

1899. Ernest Rutherford je otkrio alfa, beta i gama radijaciju.

-čestica, → jezgro atoma helijuma, 2He4 ( brzina ~ c·1/15)α -zračenje se moţe zaustaviti listom papira.

β -čestice su identifikovane kao elektroni velikih brzina (~ c·0,9). Šest milimetara aluminijuma je potrebno da bi se zaustavila većina beta -čestica.

-zraci → utvrĎeno je da su to fotoni velike energije (brzina: c=3·108m/s) . Nekoliko centimetara olova je potrebno da bi se zaustavili .

Alfa - čestice i beta - čestice se emituju sa specifičnom energijom koja zavisi od radioaktivnosti izotopa. Gama - zraci, se emituju zajedno sa neprekidnom energijom, od 0 do maksimalne,koju odreĎuje neki izotop.

ALFA - RASPAD

• Brzine kojima alfa-čestice izleću iz

jezgra mogu da budu i do 107 m/s;

• Kinetička energija reda veličine

nekoliko MeV (mega elektron volti);

• ProlazećI kroz supstancu, alfa-čestica postepeno gubi

energiju dok se na kraju ne zaustavi. Što je veća

gustina supstance, to je manji domet alfa-čestica.

• Domet ove čestice zavisi i od njene početne brzine .

Proces emisije α-čestica, tj. jezgra 2He4 - ( sadrţe 2 protona i 2 neutrona).

EYX AZ

AZ

4

24

2

BETA - RASPAD

Jezgro ne sadrţI elektrone. Beta-raspad nastaje onda

kada se neutron menja u proton u okviru jezgra. Svaki

beta-raspad prati (nevidljivi) antineutrino. Tada se broj

protona, a time i atomski broj povećava za jedan. Na

primer, ugljenikov izotop 14C je nestabilan i emituje β-

čestice, pri čemu nastaje stabilni azotov izotop 14N:

EYX AZ

AZ

011

RASPAD neutronaU stabilnom jezgru, neutron se ne raspada.

Slobodni neutroni se mogu raspasti sa periodom t1/2 =15min.

Pri beta-raspadu neutron daje:

proton, beta-česticu i antineutrino.

Neutrino je čestica koja postoji samo u kretanju i kreće se

brzinom svetlosti. Neutrino ima malu ili uopšte nema mase,

kao ni naelektrisanja, ali, kao i proton, nosi impuls i

energiju. Energija koja se oslobodi u toku beta -raspada

objašnjava se činjenicom da je masa početnog izotopa

veća od sabranih masa produkata raspada. Masa se

pretvara u energiju baš kao što je Ajnštajn predvidio

(E=mc2).

++n pβ

GAMA – ZRAČENJE• -zračenje obično prati α - i β -zračenje. Gama zraci su

vrsta elektromagnetnog zračenja koje nastaje u preraspodeli

energije i naelektrisanja u samom jezgru.

• -zrak ima najveću energiju a najmanju talasnu duţina od

svih elektromagnetnih zraka.

• -zraci se mogu emitovati kada nukleus prolazi kroz

promenu iz jednog oblika u drugi.

• Kada nukleus emituje -zrake ne menja se ni atomski ni

maseni broj.

NUKLEARNE REAKCIJEAko se jezgra dovoljno pribliţe mogu

meĎusobno da deluju preko jakih nuklearnih

sila i mogu da se dese reakcije izmeĎu jezgra.

Kao i hemijske reakcije, nuklearne reakcije

mogu biti egzotermne (energija se oslobaĎa) ili

endotermne (energija se vezuje). Dve osnovne

egzotermne nuklearne reakcija su: fisija i fuzija.

PUT DO FISIJE1932.g. engleski fizičar i dobitnik Nobelove nagrade, Dţejms Čedvik je otkrio neutron.

Nekoliko godina kasnije, Enrico Fermi i njegovi saradnici su u Rimu otkrili da se bombardovanjem različitih elemenata neutronima stvaraju novi, radioaktivni elementi.

1939.g. nemački hemičari Oto Han i Friz Štrasman su neutronima bombardovali rastvore uranijumovih soli. Nekoliko nedelja kasnije, otkrili su, da je nastao barijum.

Fisija je nuklearni proces u kome se teško jezgro razdvaja na dva manja jezgra. Primer fisije, koji je iskorišćen u izradi atomske bombe i koji se još uvijek koristi u nuklearnim reaktorima je:

FISIJA• Fisija je proces koji se u svemiru odvijao milijardama

godina.

• Fisijom moţe nastati bilo koja kombinacija lakših jezgara.

Pri tome ukupan broj nukleona ostaje isti.

• U procesu fisije se oslobaĎa velika količina energije zbog

razlike ukupne mase lakših jezgara (produkata) i mase

jezgra koje je nestalo u procesu fisije (E=Δmc2).

• Fisija nastaje kada se jezgro toliko deformiše

(poveća dimenzije) da elektrostatičke odbojne

sile postanu dominantne, tj. jezgro moţe da

stupi u proces fisije, kada bude u stanju da

savlada jake nuklearne sile, koje ga drţe u

jednom komadu.

FUZIJA

• Dva laka jezgra se kombinuju da bi se stvorilo

jedno, teţe jezgro.• Primeri fuzije:

Primeri fuzije:

• OslobaĎa količinu energije koja je oko 106 puta veća od energije iz hemijske

reakcije. Ova energija se oslobaĎa pri spajanju dva laka jezgra jer

novonastalo jezgro ima masu manju od zbira masa početnih jezgara.

• Ne moţe da se odvija pod normalnim uslovima na Zemlji jer je potrebno da

se uloţi velika količina energije.

• Zbog toga što su oba jezgra, koja ulaze u reakciju, pozitivno naelektrisana,

dolazi do jakog elektrostatičkog odbijanja kada se spajaju. Potrebno je sabiti

jezgra na dimenzije jednog jezgra kako bi jake nuklearne sile, nadjačale

elektrostatičke odbojne sile i izazvale sjedinjavanje jezgara.

FUZIJA

• Fuzija se odvijaju već milijardama godina u svemiru.

Fuzija je izvor energije većine zvezda, pa tako i

našeg Sunca. Naučnici su uspeli da proizvedu

fuziju na Zemlji tek u poslednjih šezdesetak godina.

Istraţivanja su bila takva da se reakcija fuzije retko

dešavala. Kasnije su, ovi eksperimenti doveli do

razvoja nekontrolisane fuzije u hidrogenskoj ili

termonuklearnoj bombi.

MALO ISTORIJE• 1869. - Henri Bekerel (Henri Becquerel) je otkrio radioaktivnost uranijuma.

• 1902 . - Maria i Pjer Kiri (Marie and Pierre Curie), su izolovali radioaktivni

element nazvan radijum.

• 1905. - Ajnštajn (Einstein) objavio svoju teoriju relativnosti. Prema ovoj

njegovoj teoriji, transformmacijom mase u energiju, dobili bi smo velike

količine energije.

• 1911. - Raderford (Ernest Rutherford) i Bor (Niels Bohr) su opisali strukturu

atoma (planetarni model). Zaključili su da jezgro mora da se prelomi ili da

eksplodira kako bi se oslobodila velika količina energije.

• 1934. - Enriko Femri (Enrico Fermi), naučnik iz Rima, je rastavio teške atome

bombardujući ih neutronima. MeĎutim, nije shvatio da je postigao nuklearnu

fisiju.

• Decembra 1938. - u Berlinu, Oto Han (Otto Hahn) i Fric Štrasman (Fritz

Srassman) su izveli sličan eksperiment i došli do velikog otkrića. Razdvojili su

atom i tako proizveli nuklearnu fisiju. Transformisali su masu u energiju –

33 godine posle postavljanja Ajnštajnove teorije.

INFORMACIJE

Nuklarna energija, u mirnodopske svrhe, prvi put

je bila primjenjena 1954. godine u SSSR-u. Tada

je puštena u eksploataciju prva nuklearna

elektrana čija je snaga iznosila svega oko

500 kW.

Iako je čovjek proizveo prvi nuklearni reaktor

prije samo 50 godina, proces fisije se odvijao u

unutrašnjosti Zemlje u naslagama uranijuma u

Zapadnoj Africi, pre dve milijarde godina.

NUKLEARNI REAKTORINuklearna reakcija je, naţalost, prvo iskorišćena za dobijanje nuklearnog

oruţja. Tek 1955. godine u Ţenevi je odţana prva meĎunarodna konferencija za

miroljubivo korištenje nuklearne enrgije. Narednih godina uloţeni su posebni

napori za razvoj nuklearnih reaktora. Nukearni reaktori su posebni ureĎaji u

kojima se odvijaju kontrolisane nuklearne reakcije.

Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste uranijumovi izotopi, plutonijum, a

ponekad i torijum. Deo energije osloboĎene u reakciji, ispoljava se u vidu

toplote, koja se moţe odvoditi iz nuklearnog reaktora i iskoristiti za pokretanje

raznih toplotnih mašina (npr. parnih turbina).

Kako nastaje

lančana reakcija?

NUKLEARNI REAKTORI• Osnovni delovi svakog

reaktora su:

nuklerno gorivo, moderator

(usporivač), upravljačke

šipke, reflektor, sistem za

hlaĎenje i zaštitni sistem.

• Nuklerni reaktori mogu biti

homogeni i heterogeni.

• U homogenim reaktorima

nuklearno gorivo se nalazi u

obliku rastvora ili praha, a u

heterogenim reaktorima u

obliku posebnih poluga

(šipki).

NUKLEARNI REAKTORI* Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u fisionom procesu. Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju fisije. Kao usporivač se primjenjuje grafit, deuterijum (u vidu teške vode), jedinjenja berilijuma itd.

* Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se reţim rada reaktora i sprečava pregrevanje reaktora, usled velike količine toplotne energije osloboĎene u toku procesa. Najčešće se koriste šipke napravljene od bora ili kadmijuma.

* Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese.

* Kao sistem za hlaĎenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlaĎenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora.

* Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobaĎanja gama-zračenja pa je potrebna zaštita (obično se koristi specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode). Debljina zaštitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi moglo ugroziti ljude oko reaktora. Jedna od najefikasnijih mera je automatizacija i robotizacija rada reaktora.

NUKLEARNO ORUŢJE

Nuklearno oruţje je izgraĎeno na principu korišćenja

nekontrolisane nuklerne, odnosno termonuklearne

reakcije, pri kojoj se u malom vremeskom intervalu

oslobode velike količine energije i radioaktivnih

produkata. Tipični predstavnici ove vrste oruţja su

NUKLEARNA (atomska) bomba i TERMONUKLEARNA

(hidrogenska) bomba.

6. avgusta 1945. američki avion Enola Gay,

ispustio je prvu atomsku bombu na

Hirošimu u Japanu. Pri eksploziji je

nastradalo preko 140 000 ljudi.

9. avgusta 1945. SAD su ispustile drugu

atomsku bombu na japanski grad Nagasaki.

Bomba je pala na mesto udaljeno milju od

cilja ali je ipak poginulo 75 000 ljudi.

ATOMSKA BOMBAKao eksploziv nuklearne

bombe koriste se izotopi urana

92U235, torijum 90Th232 i

plutonijum 94Pu239. Taj

eklsploziv najčešće čine dva ili

više komada nuklearnog

materijala, obično u obliku dve

polusfere, koje su pre

aktiviranja bombe meĎusobno

razdvojene. Masa svake sfere

je manja od kritične mase (oko

20 kg), a zbirna masa je veća

od kritične mase. Na taj način

se sprečava proces lanačane

reakcije sve dok se nuklearna

bomba ne aktivira.

ATOMSKA BOMBA* U trenutku aktiviranja bombe delovi nuklearnog eksploziva se

dovode u kompaktnu celinu, i počinje proces nekontrolisane

nuklearne reakcije (eksplozija bombe). Aktiviranje se vrši

pomoću obične eksplozivne supstance (upaljača). Upaljač se

nalazi u specijalnom sudu, izgraĎenom od metala velike gustine,

čiji zidovi sluţe i kao reflektor neutrona.

* Prilikom eksplozije nuklearne bombe ispoljavaju se tri

osnovna dejstva:

1) Udarno (mehaničko) dejstvo proizvodi talas jako sabijenog

vazduha (udarni talas). Udarni talas se kreće radijalno u svim

pravcima. Na rastojanjima manjim od jednog kilometra, njegov

udar ne mogu da izdrţe ni armirano-betonske graĎevine.

Pri udaru ţiva bića mogu da zadobiju povrede, neposredno

(obaranje), posredno (udarom predmeta koji se ruše), itd. Usled

nagle promene vazdušnog pritiska dolazi i do oštećenja

čovekovih unutrašnjih organa, potresa mozga, pucanja bubne

opne.

ATOMSKA BOMBA

2) Toplotno dejstvo je posljedica

toplotnog zračenja uţarene vatrene

lopte u kojoj temperatura, u trenutkueksplozije, dostiţe nekoliko desetina miliona kelvina.

3) Brzi neutroni i gama-zraci koji se javljaju pri eksploziji, mogu da budu smrtonosni i do nekoliko kilometara od mesta eksplozije.

Ništa manje nisu opasna ni naknadna zračenja (alfa- i beta-čestica) koja ostavljaju teške posledice i na mestima na kojima uopšte nema drugih dejstava.

Nagasaki

HIDROGENSKA BOMBA- oslobaĎa energiju tokom fuzionog procesa.

Struktura hidrogenske (termonuklearne) bombe :

u centru se nalazi atomska bomba; okruţuje je omotač od

jedinjenja litijuma i deutrijuma; oko ovog omotača se nalazi

štit, debeli spoljašni omotač, najčešće napravljen od

materijala koji je podloţan procesu fisije, koji drţI sve

komponente na okupu da bi se dobila

snaţnija eksplozija. Neutroni iz atomske

eksplozije prouzrokuju spajanje

vodonikovih jezgara dobijanje

helijuma, tricijuma i energije.

Eksplozija atomske bombe stvara visoke

temperature neophodne za proces fuzije,

koji sledi, (za spajanje 1H2 i 1H

3 potrebna

je temperatura od 50 000 000°C a za

spajanje 1H3 i 1H

3, 400 000 000°C).

HIDROGENSKA BOMBAU zoni centra eksplozije, skoro sva

prisutna materija, ispari i formira gas pod

velikim pritiskom. Pri brzom povećanju

pritiska, (daleko većeg od atmosferskog), ovaj

gas se širi od centra u obliku jakog udarnog

talasa, čija jačina opada kako se udaljava od

centra eksplozije. Ovaj talas, koji sadrţi veći deo osloboĎene

enrgije, je odgovoran za rušilački deo mehaničkog efekta

nuklearne eksplozije. Širenje udarnog talasa i njegovi efekti

veoma zavise od toga da li se eksplozija desila u vazduhu,

pod vodom ili pod zemljom.

Primer za procenu jačine ove bombe: jačina svih eksplozija

koje su se desile u toku Drugog svjetskog rata, zajedno,

iznosi „samo" 2 megatona, što je 20% (1/5) jačine jedne

hidrogenske bombe!

HIDROGENSKA BOMBA Do sada ni jedna hidrogenska bomba nije

iskorišćena u ratne svrhe, ali su vršena nuklearna testiranja ove vrste bombe.

Većina ovih testova je vršena pod vodom, zbog rizika od uništenja:

Prva termonuklearna bomba - 1952. u mestu Eenewetak u SAD-u,

druga 1953. u Rusiji.

Velika Britanija, Francuska i Kina su vršile nuklearna testiranja, a oni imaju i mogućnost za proizvodnju ove bombe.Tri manje bivše sovjetske drţave koje su nasledile nuklearni arsenal (Ukrajina, Kazahstan i Belorusija) odrekle su se svih bojevih glava, koje su prebačene u Rusiju.

Nekoliko drugih drţava je vršilo testiranja ili tvrde da imaju mogućnost da naprave bombe. MeĎu ovim drţavama su Indija, Izrael i Pakistan.

Juţnoafrički aparthejd reţim je konstruisao šest nuklearnihbombi koje su kasnije demontirane.

KAKO DEMONTIRATI ATOMSKU

BOMBU?

Kao prvo i najvaţnije, šansa da se naĎeš

u situaciji da se ispred tebe nalazi

atomska naprava u kojoj otkucava satni

mehanizam je stvarno nikakva. Ali ipak,

recimo da si postao neki Dţems Bond i da

MORAŠ da upotrebiš sve svoje znaje i

veštinu da bi deaktivirao atomsku bombu,

evo ti nekoliko korisnih saveta:

Redosled demontaţe:

1) Preseci žice koje vode od baterije ili okidača/tajmera do detonatora. Baterija će uvek ličiti na bateriju, a tajmer je onaj ureĎaj koji odbrojava unazad. Ali budi oprezan: To je uvek najpipaviji deo bombe – i mesto gde se najčešće kriju zamke (ona igra sa crvenom/plavom ţicom polazi baš odavde).

2) Skloni neutronski okidač. To će ti uvek ličiti na neki mali disk ili loptu. Ne pokušavaj da pojedeš to, jer se radi o plutonijumu ili nekom sličnom visokoradioaktivnom materijalu, čiji je posao da izazove lančanu reakciju. Nakon ovog koraka bomba i dalje moţe da eksplodira, ali se neće desiti Hirošima.

3) Ukloni konvencionalni eksploziv. To je prvi deo koji izaziva buuuum. U oruţju koji prave drţave, to će biti neki od tipova IHE (Insensitive High Explosive), i on je prilično bezbedan za rukovanje. Ali u nekim ureĎajima kućne radinosti, to bi moglo biti mnogo nestabilnije. Samo ti treba sigurna ruka ...

4) Razdvoj mase U-235. To će biti dve male ali veoma teške kriške metala– uranovog izotopa. Ako se one suvišepribliţe jedna drugoj, nastala kritična

masa će izazvati poplavu zračenja i ti ćeš umreti. Drţeći ih odvojene, svaka od njih će emitovatisamo relativno bezazlene alfa–čestice – sa kriškama ćešmoći da rukuješ čak i bez rukavica ako si ih zaboravio.Svako parče urana stavi u zasebne metalne sanduke i čekajnekog od zvaničnih organa.