10 Nuklearna fizika 25 - tf.unibl.org · Nuklearna fizika • Struktura atomskog jezgra •...
Transcript of 10 Nuklearna fizika 25 - tf.unibl.org · Nuklearna fizika • Struktura atomskog jezgra •...
Nuklearna fizikaTehnička fizika 2
25/05/2018 Tehnološki fakultet
Nuklearna fizika
• Struktura atomskog jezgra• Prirodne nuklearne sile• Defekt mase i energija veze jezgra• Prirodna radioaktivnost• Zakon radioaktivnog raspada• Nuklearne reakcije, fisija i fuzija• Vještačka radioaktivnost• Transurani• Anihilacija i kreacija para• Detekcija RA• Elementarne čestice• Čestice i antičestice. Kvarkovi• Dozimetrija RA
OSNOVI NUKLEARNE FIZIKE
• Sastavni dijelovi atomskog jezgra su nukleoni:– protoni (pozitivno naelektrisane čestice) i– neutroni (elektroneutralne čestice).
• Za opisivanje nukleona u 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 nuklearnoj fizici
• Iz praktičnih razloga u nuklearnoj fizici koriste se jedinice koje nisu u SI sistemu.
• Atomska jedinica mase u
� = 1,66054 ∙ 10�� kg
• Jedinica energije u nuklearnoj fizici – elektronvolt (eV)
1eV = 1,6 ∙ 10�� J
ATOMSKA MASENA KONSTANTA (ATOMSKA JEDINICA MASE)
- približno jednaka masi jezgre
Masa atoma ugljenika
Atomska masa
Jedinice u nuklearnoj fizici
� =1
12� ��
��
� = 1,66054 ∙ 10�� kg
Atomska masa
Iz relacije eV 931,478
J10945,14 11
=⋅= −E
čestica
elektron
neutron
proton
kg/m
2710672623,1 −⋅
2710674928,1 −⋅3110109389,9 −⋅
0072765,1
0086649,1
410485799,5 −⋅
��
��= 1836,12
� �⁄
� = 1,66054 ∙ 10�� kg� = ���
XA
Z
Protonski broj, broj protona ili redni broj
Atomski broj, broj nukleonaili maseni broj
Simbol hemijskog elementa
A = Z + N
Neutronski broj, broj neutrona
OSNOVI NUKLEARNE FIZIKE
Odnos broja protona i neutrona u jezgru
IZOTOP
...H, H,H, 31
21
11
IZOBAR
– element istog rednog broja Z, a različitog masenogbroja A, odnosno, različitog broja neutrona N
Izotopi (rednog broja 1) vodonika: vodonik, deuterijum, tricijum....
– element istog atomskog broja A,a različitog rednog broja Z
...Li,He, H, 33
32
31
Izobari masenog broja 3
IZOTONI – jezgra sa istim brojem neutrona N
�� � !�"
�
Dimenzije atoma i jezgra
• Dimenzije jezgra su prvobitno procjenjene na osnovu rezultata eksperimenta rasijanjaα – čestica na metalnim folijama (Raderford).
• Preciznije određivanje dimenzije jezgra nakon eksperimenata rasijanja neutrona na jezgrima.
• Jezgro nema ostru ivicu, približno je sfernog oblika, a veličina poluprečnika jezgra zavisi od masenog atomskog broja:
# ≈ 1,2 ∙ %�
& ∙ 10�' m
Dimenzije atoma i jezgra
Osnovne interakcije u prirodi
• Sve interakcije u prirodi se mogu svrstati na četiri osnovne sile:
• Gravitaciona,• Elektromagnetna• Jako nuklearna i• Slaba nuklearna sila
Jaka nuklearna sila
• Između nukleona u jezgru pored odbojne električne sile djeluje i jaka nuklearna sila, koja se suštinski razlikuje od svih do sada poznatih sila u prirodi:
• Izuzetno je jakog intenziteta,• Kratkog je dometa,• Ne zavisi od naelektrisanja,• Nije centralna i• Ima svojstvo zasićenosti (pri promjeni broja
nukleona u jezgru ne mijenja se gustina jezgra).
Osnovne interakcije u prirodi
Jaka nuklearna sila
Spin atomskog jezgra
• Pošto se spinovi nukleona slažu po parovima, spin jezgra, koji se sastoji od parnog broja nukleona (bozoni) je cijeli broj ili nula.
• Jezgra sa neparnim brojem nukleona (fermioni) mogu imati samo polucijele vrijednosti spina.
Defekt mase i energija veze
• Pojava da je masa jezgra u cjelini manja od zbira masa slobodnih nukleona naziva se defekt mase.
• Slobodni nukleoni ulazeći u sastav jezgra, podliježu uticaju jake nuklearne sile i pri tom gube dio energije.
• Prema Ajnštajnovoj formuli gubitak energije znači i gubitak mase.
• Tako se javlja manjak mase atomskog jezgra u odnosu na ukupnu masu nukleona u slobodnom stanju.
• Energija veze 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.
( )[ ] 22 cmmZAzmmcE Nnpv −−+=∆=
Defekt mase i energija veze
• Primjer za defekt mase i energiju veze kod jezgra atoma helijuma, koje sadrži dva protona i dva neutrona:
Energija veze jezgra
npN mNmZm +=Masa jezgre
?
npN mNmZm +
npN mNmZBm +=+Maseni defekt (maseni manjak)
Energija veze jezgra
� = )��
Energija veze po nukleonu
• Najstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona.
• Kod masivnih jezgara, energija veze po nukleonu u toj mjeri opadne da je nedovoljna da održi jezgra u stabilnom stanju, pa dolazi do pojave spontanog radioaktivnog raspada..
Energija veze po nukleonu
Maseni broj ASred
nja
en
ergi
ja v
eze
jezg
ra p
o n
ukl
eon
u /
MeV
Elementi za nuklearnu fisiju
Izotopi “Fe grupe” najčvršće vezani
Nuklearna fuzija
Sr. en. vez. po nukl. oko 7 MeV
Sr. en. vez. po nukl. za srednje teške jezgre oko 8,5 MeV
Nuklearne reakcije
Interakcije jezgra sa česticama
bYXa +→+
Česticaprojektil
Konačnojezgro
Početno jezgro(meta)
Izlaznačestica
YbaX ),(
Vrijedi zakon održanja energije
Fisija
.. raspad teških (nestabilnih) jezgara u lakša izazvan sudarmosa neutronom
Primjer: Oslobođena energija: - 212 MeV po jednom jezgru urana- 23 GWh po kilogramu urana
n
nn
n
Fisija (cijepanje) uranovog jezgra
( ) MeVnYXUn 20031 10
1601101307623592
10 +−++→+ −−
Jezgro urana
apsorbujetermalni neutron
U235 Novonastalo jezgro ima viška energije i počinje jako oscilovati
Ovakvo oscilovanje može da stvori uzan “vrat”
Kulonova sila jošviše izdužuje “vrat”
Dešava se FISIJA Fragmenti se razdvajaju uz nastanak još neutrona i energije.
Da li će fisija biti KONTROLISANA ili NEKONTROLISANA zavisi od broja novonastalih neutrona!
Nekontrolisana fisija (A-bomba)
Nuklearne reakcije
Raderford, 1919: HONHe 11
178
147
42 +→+
Kokroft i Volton, 1932: MeVHeHeLiH 1742
42
73
11 ++→+
Vještačka radioaktivnost
Frederik Žolio i Irena Kiri, 1934:
;10
3015
2713
42 nPAlHe +→+
eSiP 01
3014
3015 +→
Fuzija (spajanje) dva jezgra
MeVnHeHH 6,1710
42
31
21 ++→+
Na ovom principu fuzije dva jezgra naše Sunce (i ostale zvijezde) stvara energiju (svjetlost i toplotu). Sunce spaja vodonikove atome i stvara helijum. Ovaj proces će se završiti kada nestane “goriva”, tj vodonika!
Fuzija.. spajanje lakih jezgara u teža
Primjer:
Oslobođena energija:17,6 MeV po reakciji
Zakon radioaktivnog raspada
• Pri spontanom raspadu nestabilnih masivnih jezgara dolazi do emisiječestica i / ili visokoenergetskih fotona – RADIOAKTIVNOG ZRAČENJA.
• Radioaktivnost je otkrio Bekerel 1896. godine.
• RA raspad je slučajan, statistički proces, tj. ne može se tačno predvidjetikoje jezgro će se u kom trenutku raspasti, ali se može odrediti brojjezgara koji će se raspasti poslije određenog vremenskog intervala
Zakon radioaktivnog raspada
Zakon radioaktivnog raspada
toeNN λ−=
τλ
⋅== 693,0693,0
2/1T
Zakon RA raspada definiše broj neraspadnutih jezgara N RA elementa nakon proteklog vremena t.
*- konstanta radioaktivnog raspada
* =+,2
-��&
Vrijeme poluraspada je vremenski interval za koji se raspadne polovina od ukupnog broja radioaktivnih jezgara.
! = !.2/0
Brzina radioaktivnog raspada
% =1!
12=
1
12!.34/ = !.*34/ = *!
Aktivnost je brzina radioaktivnog raspada:
Jedinica za aktivnost je Bekerel.
1)5 = 1#67861
7
Prirodna radioaktivnost
Bekerel, 1896.
Vrste RA zračenja
Prema vrsti zračenja koje se emituje razlikujemo α-raspad, β- raspad i γ- raspad.
Prodornost radioaktivnih čestica?
Emitovano RA zračenje različito prodire kroz materijal.
RA raspad
• Pri RA rasadima jezgara važe opšti zakoni fizike:– ZO mase– ZO energije– ZO impulsa– ZO momenta impulsa
• I još važi i ZO broja nukleona u procesu raspada jezgra.
α- raspad
• Pri α- raspadu se emituje α- čestica, tj. jezgro helijuma, pri čemu se dešava transmutacija jezgra, proces promjene jezgra jednog elementa u jezgro drugog elementa.
• Energija oslobođena u RA raspadu se raspodjeljuje na kinetičku energiju elemenata koji nastaju.
• Za vrijeme α- raspada može se formirati i emitovati i γ-kvant.
Primjer α- raspadaThorium
β- raspad
• Postoje tri vrste β- raspada:– β minus raspad– β plus raspad– K zahvat
• Pri β minus raspadu emituje se β-čestica (elektron) pri čemu se dešava transmutacija jezgra.• Jedan neutron u jezgru se preko djelovanja tzv. slabe nuklearne interakcije, transformiše u proton, pri čemu se emituje elektron i antineutrino.• Antineutrino je čestica veoma male mase, bez naelektrisanja, antičestica neutrina.
Primjeri β- raspada
β plus raspad
• Pri β plus raspadu emituje se β plus čestica (pozitron, pozitivno elementarno naelektrisanje, antičestica elektrona, stvara se u toku raspada) i neutrino.• Jedan proton u jezgru se preko djelovanja tzv. slabe nuklearne interakcije, transformiše u neutron pri čemu se emituje pozitron i neutrino.
Primjeri β plus raspada
K- zahvat
• Pri K zahvatu se jezgro oslobađa viška energije zahvatom elektrona iz atomske orbitale (najčešće K ljuske, glavni kvantni broj n=1), pri čemu se proton iz jezgra transformiše u neutron, a jedina emitovana čestica je neutrino.
Radioaktivni niz
• Radioaktivni niz čine serije radioaktivnih transformacija jezgara, gdje se od jednog jezgra, na kraju niza dospijeva u sasvim drugi, ali stabilni oblik, u vidu drugog hemijskog elementa.• Transurani – radioaktivni niz URANA
Radioaktivni niz urana -Transurani
Radioaktivni niz urana -Transurani
A chain decay involves the radioactive decay of intermediate radioactive daughter atoms that eventually decay to stable daughter such as the decay of 238U to 206Pb.
Radioactive Decay
Processes
Anihilacija (uništenje) para elektrona i pozitrona
νhee 201
01 →+−
Kreacija (stvaranje) para elektrona i pozitrona
eeh 01
01 +→−ν
MeVcmh e 02,12 2 =≥ν
Detekcija radioaktivnog zračenja
Jonizaciona komora
Gajger – Milerov brojač
Vilsonova komora
•Scintilacioni brojači
•Poluprovodnički detektori
•CCD (charged coupled device)
•Nuklearne fotoemulzije
•itd....
Dozimetrija jonizujućeg zračenja
•Apsorbovana dozadm
dED =
•Ekspoziciona dozadm
dQ=Χ
=kg
JGy
kg
C
Za vazduh je kg
CGy 026,01 =
•Jačina apsorbovane doze
•Jačina ekspozicione doze
dt
dDD =ɺ
dt
dΧ=Χɺ
=
⋅=
s
W
skg
J
s
Gy
=
⋅ kg
A
skg
C
•Ekvivalentna doza DQNH = .
=
kg
JSv
•Jačina ekvivalentne dozedt
dHH =ɺ .
=
kg
W
s
Sv
•Efektivna ekvivalentna doza i
i
ie HWH =
•Kolektivna efektivna ekvivalentna doza
=i
iee NHSi
iW - težinski faktori za pojedine organe
iH - ekvivalentne doze za te iste organe