nuklearna fizika za studente matematike (pdf)

Download Nuklearna fizika za studente matematike (PDF)

Post on 07-Feb-2017

236 views

Category:

Documents

10 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • SadrajFizika atomskog jezgra

    300

    Osnovne karakteristike atomskog jezgra 301Defekt mase jezgra i energija veze 303Stabilnost atomskog jezgra 305Radioaktivni raspad 308Zakon radioaktivnog raspada 309Vrste radioaktivnog raspada 310-radioaktivni raspad 311-radioaktivni raspad 312-radioaktivni raspad 314

    Radioaktivni niz 315Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom 316Nuklearne reakcije 320Energetski bilans nuklearne reakcije 321Nuklearna fisija 322Nuklearna fuzija 324

    301

    Osnovne karakteristike atomskog jezgraOtkrie atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje -estica) - skorocelokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 1015 m.

    NZA += XAZ

    Jezgro sadri protone (pozitivna elementarnanaelektrisanja) i neutrone.Broj protona Z odreuje redni broj elementa u Periodnom sistemu, a zbirbroja protona (Z) i neutrona (N) daje atomski maseni broj A (nekad senaziva i broj nukleona i treba ga razlikovati od relativne atomske mase Ar):

  • 302

    Osnovne karakteristike atomskog jezgra

    Jezgro nema otru ivicu, priblino je sfernog oblika, a veliina poluprenikajezgra zavisi od masenog atomskog broja:

    ]m10[2.1 153/1 Ar

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

    Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi ija jezgra imaju jednak rednibroj Z (protoni), a razliit broj neutrona N.

    Primer: vodonik ima tri izotopa -Izotopi istog hemijskog elementa se u prirodi nalaze u veoma razliitommeusobnom odnosu, a nekih ak ni nema u prirodi, ve se u vetakim(laboratorijskim) uslovima pojavljuju kao rezultat nuklearnih reakcija.Primer: ugljenik -

    (tricijum)Hm)(deuterijuHH 3121

    11

    CiCipostoje%1.1-C%98.9-C 146116

    136

    126

    303

    Defekt mase jezgra i energija vezeUkupna masa jezgra nije jednaka zbiru masa protona i neutrona koji gasainjavaju, ve je uvek neto manja. Razlika u masi jezgra i njegovihsastavnih delova se naziva defekt mase m i odgovara energiji veze Evnukleona u jezgru.

    Energija veze Ev je energija koju je potrebno uloiti za razlaganje jezgra,odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra.Prema Ajntajnovoj relaciji o ekvivalentnosti mase i energije, defektu masem odgovara energija veze Ev izraena preko relacije:to je energija veze vea,vea je i stabilnost jezgra.

    2v cmE =

    ),(])([ ZAmmZAZmm jnp +=

  • 304

    Defekt mase jezgra i energija veze - primer

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

    uuumuuu

    ummm np

    0304.00026.40330.40330.4)0087.1(2)0078.1(2

    0026.422 He

    ===+

    =>+

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

    MeV5.931)()1(kg106606.11

    vv

    227

    =

    ===

    AEuE

    cumuEuu - atomska jedinica mase

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

    305

    Stabilnost atomskog jezgraU jezgru osim odbojne elektrostatike sile izmeu protona, deluje jakanuklearna sila (interakcija) koja dri sve nukleone (protone i neutrone) naokupu (gravitaciona privlana sila je zanemarljiva).

    Jaka nuklearna interakcija je odgovorna za stabilnost jezgara hemijskihelemenata.

    Jaka nuklearna interakcija je sila kratkodometnog tipa (domet 1015 m) i nezavisi od naelektrisanja (priblino je jednaka izmeu dva protona, dvaneutrona ili protona i neutrona).

    Poto proton u jezgru deluje odbojnom elektrostatikom silom na sve drugeprotone, a privlane jake nuklearne sile deluju samo izmeu najbliihsuseda, da bi jezgro ostalo stabilno, sa porastom broja protona u jezgruraste i broj neutrona.

  • 306

    Stabilnost atomskog jezgraNakon izvesnog broja protona (Z>83)i neutrona u jezgru, dalje poveanjebroja neutrona vie ne moe odratistabilnost jezgra. Takva nestabilnajezgra se spontano raspadaju (dezin-tegriu).Slika: nesrazmerno poveanje broja neutrona ujezgrima sa porastom broja protona radi odranjastabilnosti jezgara.

    Rezultati raspada jezgara su novajezgra stabilna ili nestabilna (koja sedalje dezintegriu u nove produkteradioaktivnog raspada).

    Pratea pojava radioaktivnog raspadaje emisija nevidljivog zraenja radioaktivnost (Bekerel, 1896.).

    307

    Stabilnost atomskog jezgraNajstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona.

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

    Zavisnost energije veze (pojednom nukleonu) od atom-skog masenog broja A:

  • 308

    Radioaktivni raspadPri spontanoj dezintegraciji (raspadu) nestabilnih masivnih jezgara dolazido emisije izvesnih estica i/ili visokoenergetskih fotona - radioaktivnozraenje.

    Radioaktivnost je otkrio Bekerel1896. godine.

    Radioaktivni raspad je sluajan,statistiki proces - ne moe se tanopredvideti koje jezgro e se u komtrenutku raspasti, ali se moe odreditibroj jezgara koji e se raspasti posleizvesnog intervala vremena.

    309

    Zakon radioaktivnog raspadaZakon radioaktivnog raspada definie broj N neraspadnutih jezgararadioaktivnog elementa nakon proteklog vremena t:

    NtNN

    tN

    ==

    dd tNN = e0

    A=N - aktivnost radioaktivnog materijala, broj radioaktiv-nih raspada u jedinici vremena [Bq].

    - konstanta radioaktivnog raspada, odreuje verovatnouraspada.

    =

    2ln2/1T

    - period poluraspada, vremenskiinterval nakon kojeg se brojneraspadnutih jezgara smanjina polovinu u odnosu napoetni.

    2/120Tt

    NN

    =

  • 310

    U radioaktivnim raspadima jezgara vae opti zakoni fizike - zakoniodranja mase/energije, naelektrisanja, koliine kretanja (impulsa) imomenta koliine kretanja, a njima se dodaje i zakon odranja brojanukleona u procesu dezintegracije jezgra.

    Postoje 3 vrste radioaktivnog raspada, prema vrsti zraenja koje se emituje:-raspad, -raspad i -raspad.Emitovano radioaktivno zraenje raliito prodire kroz materiju prodor-nost raste pri promeni alfabetne oznake zraenja.

    Vrste radioaktivnog raspada

    311

    Energija osloboena u radioaktivnomraspadu se raspodeljuje na kinetikeenergije proizvoda koji nastaju.Za vreme -raspada, moe se formirati iemitovati i kvant -zraenja.

    U -raspadu se emituje -estica (jezgro helijuma, pozitivno naelektrisanaestica), pri emu se deava tzv. transmutacija jezgra, proces promenejezgra jednog u jezgro drugog elementa.

    - radioaktivni raspad

    He4242 +

    YXAZ

    AZ

    Primer I

    HeRnRa 42222

    86226

    88 +Primer II

    HeThU 42234

    9023892 +

  • 312

    Postoje tri vrste -raspada: -raspad, +-raspad i K-zahvat.1. U -raspadu se emituje -estica (elektron, negativno elementarno

    naelektrisanje; stvara se u toku raspada) pri emu se takoe deavatransmutacija jezgra.Jedan neutron u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearneinterakcije (sile), transformie u proton, pri emu se uz emisiju elektronajavlja i antineutrino.Antineutrino je estica praktino nulte mase (tanije, veoma male mase),bez naelektrisanja, antiestica od neutrina. On deli energiju osloboenu uraspadu sa ostalim produktima raspada.

    - radioaktivni raspad

    ++ epn

    e011 + + YXA

    ZAZ

    ++ eNC01

    147

    146

    Primer II

    ++ ePaTh01

    23491

    23490

    Primer I

    313

    - radioaktivni raspad2. U +-raspadu se emituje +-estica (pozitron, pozitivno elementarno

    naelektrisanje, antiestica elektrona; stvara se u toku raspada) i neutrino.

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

    ++ +enp e011 + + YXA

    ZAZ

    3. U K-zahvatu se jezgro oslobaa vika energije zahvatom elektrona izatomske orbitale (najee K-ljuska, glavni kvantni broj n=1), pri emu seproton jezgra transformie u neutron, a jedina emitovana estica jeneutrino.

    ++ nep* Slaba nuklearna interakcija (sila) i elektromagnetna sila su dva razliita oblika

    ispoljavanja tzv. elektroslabe sile. Elektroslaba, gravitaciona i jaka nuklearna silaine tri osnovne interakcije u prirodi.

    ++ + eCN01

    126

    127

    Primer

  • 314

    Jezgra atoma su, slino elektronima u atomskim omotaima, takoeokarakterisana energetskim stanjima, osnovnim i pobuenim (u koja semogu dovesti u procesima apsorpcije energije).

    -raspad je prelaz jezgra iz pobuenog u nie energetsko ili osnovnostanje, to je praeno emisijom visokoenergetskog -kvanta i tzv. internomkonverzijom (viak energije se predaje nekom elektronu u atomskomomotau).

    -raspad obino sledi nakon - ili -raspada, kada nastala jezgra nisu uosnovnom (stabilnom) stanju, ve u nekom pobuenom stanju.

    -raspad ne uzokuje transmutaciju jezgra.

    - radioaktivni raspad

    + XX AZAZ

    *

    +

    ++

    CC

    eCB12

    612

    6

    01

    126

    125Primer

    315

    Radioaktivni raspad - radioaktivni niz

    Radioaktivni niz ine se-rije radioaktivnih transfor-macija jezgara, gde se odjednog jezgra, na krajuniza, dospeva u sasvimdrugi, ali stabilni oblik, uvidu drugog hemijskogelementa.

  • 316

    Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijomEmitovano radioaktivno zraenje razliito prodire kroz materiju -prodornost raste pri promeni alfabetne oznake zraenja.

    Pri prolasku radioaktivnog zraenja kroz materiju, dolazi do gubitka, tj.predaje energije apsorbujuem materijalu.

    -estice na svom putu (usled velike maseputanja im je prava linija) jonizuju iliekscituju estice materije kroz koju prolaze,brzo gube energiju i imaju veoma mali domet(u vazduhu oko 10 cm).

    Zaustavlja ih sloj papira, sloj izumrlih elijakoe ili sloj vazduha od samo nekoliko cm.Znatno vea opasnost od -estica preti akose radioaktivni materijal koji ih emituje nalaziu ivom organizmu, jer deluje na ive elije.

    317

    Interak