of 23/23
265 Osnovne karakteristike atomskog jezgra Otkriće atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje α-čestica) - skoro celokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 10 15 m. Jezgro sadrži protone (pozitivna elementarna naelektrisanja) i neutrone. Broj protona Z određuje redni broj elementa u Periodnom sistemu elemenata, a zbir broja protona (Z) i neutrona (N) daje atomski maseni broj A (nekad se naziva i broj nukleona i treba ga razlikovati od relativne atomske mase A r ): Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi čija jezgra imaju jednak redni broj Z (protoni), a različit broj neutrona N. Jezgro nema oštru ivicu, približno je sfernog oblika, a veli čina poluprečnika jezgra zavisi od masenog atomskog broja: ] m 10 [ 2 . 1 15 3 / 1 A r N Z A + = Gustina jezgra je približno ista kod svih atoma, tj. ne zavisi od vrste atoma. X A Z

Osnovne karakteristike atomskog jezgra - Fizika oko nas · u - atomska jedinica mase. 269 Defekt mase jezgra i energija veze Najstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona

  • View
    19

  • Download
    5

Embed Size (px)

Text of Osnovne karakteristike atomskog jezgra - Fizika oko nas · u - atomska jedinica mase. 269 Defekt...

  • 265

    Osnovne karakteristike atomskog jezgraOtkrie atomskog jezgra (Raderford, 1911., rasejanje -estica) - skoro celokupna masa atoma je skoncentrisana u prostoru dimenzija 1015 m.Jezgro sadri protone (pozitivna elementarna naelektrisanja) i neutrone.Broj protona Z odreuje redni broj elementa u Periodnom sistemu elemenata, a zbir broja protona (Z) i neutrona (N) daje atomski maseni brojA (nekad se naziva i broj nukleona i treba ga razlikovati od relativne atomske mase Ar):

    Izotopi nekog hemijskog elementa su atomi ija jezgra imaju jednak redni broj Z (protoni), a razliit broj neutrona N. Jezgro nema otru ivicu, priblino je sfernog oblika, a veliina poluprenika jezgra zavisi od masenog atomskog broja:

    ]m10[2.1 153/1 Ar

    NZA +=

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

    XAZ

  • 266

    Osnovne karakteristike atomskog jezgraU jezgru osim odbojne elektrostatike sile izmeu protona, deluje jaka nuklearna sila (interakcija) koja dri sve nukleone (protone i neutrone) na okupu (gravitaciona privlana sila je zanemarljiva).

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

    Poto proton u jezgru deluje odbojnom elektrostati-kom silom na sve druge protone, a privlane jake nuklearne sile deluju samo izmeu najbliih suseda, da bi jezgro ostalo stabilno sa porastom broja protona u jezgru raste i broj neutrona .

    Nakon izvesnog broja protona (Z>83) i neutrona u jezgru dalje poveanje broja neutrona vie ne moe odrati stabilnost jezgra. Takva nestabilna jezgra se spontano raspadaju - radioaktivnost (Bekerel, 1896.).

  • 267

    Defekt mase jezgra i energija vezeUkupna masa jezgra nije jednaka zbiru masa protona i neutrona koji ga sainjavaju, ve je neto manja. Razlika u masi jezgra i njegovih sastavnih delova se naziva defekt mase m i odgovara energiji veze Ev nukleona 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 mase m odgovara energija veze Ev izraena preko relacije:to je energija veze vea, vea je i stabilnost jezgra.

    2cmEv =

    ),(])([ ZAmmZAZmm jnp +=

  • 268

    Defekt mase jezgra i energija veze

    Primer za defekt mase i energiju veze kod jezgra atoma helijuma, koje sadri dva protona i dva neutrona.

    uuumuuu

    0304.00026.40330.40330.4)0087.1(2)0078.1(2

    ===+

    MeV3.28MeV5.931)()1(kg106606.11 227

    ====

    vEcumuEu

    u - atomska jedinica mase

  • 269

    Defekt mase jezgra i energija vezeNajstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona.

    Kod masivnijih jezgara, energija veze po nukleonu u toj meri opadne da je nedovoljna da odri jezgra u stabilnom stanju - dolazi do pojave spontanog radioaktivnog raspada.

    Zavisnost energije veze po nukleonu od atomskog masenog broja A:

  • 270

    Radioaktivni raspadPri spontanoj dezintegraciji (raspadu) nestabilnih masivnih jezgara dolazi do emisije izvesnih estica i/ili visokoenergetskih fotona - radioaktivno zraenje.

    Radioaktivnost je otkrio Bekerel 1896. godine.

    Radioaktivni raspad je sluajan, statistiki proces - ne moe se tano predvideti koje jezgro e se u kom trenutku raspasti, ali se moe odrediti broj jezgara koji e se raspasti posle izvesnog intervala vremena.

  • 271

    Radioaktivni raspadZakon radioaktivnog raspada definie broj N neraspadnutih jezgara radioaktivnog elementa nakon proteklog vremena t:

    NtNN

    tN

    ==

    dd tNN = e0

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

    - konstanta radioaktivnog raspada, odreuje verovatnou raspada.

    =

    2ln2/1T

    T1/2 - period poluraspada, vremenski interval nakon kojeg se broj neraspadnutih jezgara smanji za polovinu.

  • 272

    U radioaktivnim raspadima jezgara vae opti zakoni fizike - zakoni odranja mase/energije, naelektrisanja, koliine kretanja (impulsa) i momenta koliine kretanja, a njima se dodaje i zakon odranja broja nukleona 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 -prodornost raste pri promeni alfabetne oznake zraenja.

    Vrste radioaktivnog raspada

  • 273

    Energija osloboena u radioaktivnom raspadu se raspodeljuje na kinetike energije proizvoda koji nastaju.Za vreme -raspada, moe se formirati i emitovati i kvant -zraenja.

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

    - radioaktivni raspad

    He4242 +

    YX

    AZ

    AZ

    Primer I

    HeRnRa 42222

    86226

    88 +Primer II

    HeThU 42234

    9023892 +

  • 274

    Postoje tri vrste -raspada: -raspad, +-raspad i K-zahvat.U -raspadu se emituje -estica (elektron, negativno elementarno naelektrisanje; stvara se u toku raspada) pri emu se takoe deava transmutacija jezgra. Jedan neutron u jezgru se, preko delovanja tzv. slabe nuklearne interakcije (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 u raspadu sa ostalim produktima raspada.

    - radioaktivni raspad

    ++ epn

    e011 + + YXA

    ZAZ

    ++ eNC01

    147

    146

    Primer II

    ++ ePaTh01

    23491

    23490

    Primer I

  • 275

    - radioaktivni raspadU +-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

    U K-zahvatu se jezgro oslobaa vika energije zahvatom elektrona iz atomske orbitale (najee K-ljuska, glavni kvantni broj n=1), pri emu se proton jezgra transformie u neutron, a jedina emitovana estica je neutrino.

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

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

    ++ + eCN01

    126

    127

    Primer

  • 276

    Jezgra atoma su, slino elektronima u atomskim omotaima, takoe okarakterisana energetskim stanjima, osnovnim i pobuenim (u koja se mogu dovesti u procesima apsorpcije energije).

    -raspad je prelaz jezgra iz pobuenog u nie energetsko ili osnovno stanje, to je praeno emisijom visokoenergetskog -kvanta i tzv. internom konverzijom (viak energije se predaje nekom elektronu u atomskom omotau).

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

    -raspad ne uzokuje transmutaciju jezgra.

    - radioaktivni raspad

    + XX AZAZ

    *

    +

    ++

    CC

    eCB

    126

    126

    01

    126

    125Primer

  • 277

    Radioaktivni raspad - radioaktivni niz

    Radioaktivni niz ine se-rije radioaktivnih transfor-macija jezgara, gde se od jednog jezgra, na kraju niza, dospeva u sasvim drugi, ali stabilni oblik, u vidu drugog hemijskog elementa.

  • 278

    Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijomEmitovano radioaktivno zraenje raliito 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 mase putanja im je prava linija) jonizuju ili ekscituju estice materije kroz koju prolaze, brzo gube energiju i imaju veoma mali domet (u vazduhu oko 10 cm).

    Zaustavlja ih sloj papira, sloj izumrlih elija koe ili sloj vazduha od samo nekoliko cm. Znatno vea opasnost od -estica preti ako se radioaktivni materijal koji ih emituje nalazi u ivom organizmu, jer deluje na ive elije.

  • 279

    Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom

    -estice (elektroni) pri prolasku kroz mate-riju takoe vre ekscitaciju (pobuivanje) elektrona u orbitama atoma materije i/ili jonizaciju i imaju izlomljenu putanju.

    Pored toga, usled naglog usporavanja naelek-trisanih -estica (elektroni ili pozitroni) emituje se i tzv. zakono X-zraenje.

    Domet -estica u vazduhu ne prevazilazi nekoliko metara. Zaustavlja ih i tanak sloj pleksiglasa. Opasnost dolazi, meutim, od prateeg zakonog X-zraenja, kao i od -zraenja koje prati -radioaktivni raspad i za njih treba birati teke materijale za zatitu.

  • 280

    Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom-zraci (kvanti elektromagnetnog zraenja) imaju najvei domet i predaju materiji svoju energiju u nekoliko procesa:

    1. Fotoelektrini efekat - potpuno predaju energiju elektronima atomskih omotaa koji izlaze iz atoma materijala apsorbera. Takvi elektroni, slino -esticama, u sekundarnom efektu jonizuju sredinu kroz koju se kreu. Ovaj efekat je dominantan pri niskim energijama -kvanata.

    2. Komptonovo rasejanje na kvazi-slobodnim elektronima - proces kada -kvanti samo delimino gube energiju, a deo energije primaju elektroni u materijalu apsorbera. Ovi elektroni se dalje ponaaju kao i -estice i vre ekscitaciju elektrona ili jonizaciju atoma materije, a oslabljeni -kvanti izazivaju fotoefekat. Ovaj efekat je dominantan pri srednjim energijama -kvanata.

  • 281

    Interakcija radioaktivnog zraenja sa materijom3. Stvaranje para elektron-pozitron - par-efekat; kada fotoni -zraka imaju

    energiju veu od dvostruke energije mirovanja elektrona E>2m0c2, moe doi u polju jezgra atoma apsorbera do stvaranja elektrona i njegove antiestice, pozitrona. Nastali elektron i pozitron ekscituju i jonizuju sredinu kroz koju se kreu. Ako im je energija mala, oni anihiliraju -ponovo se stvaraju 2 -kvanta koji zatim preko fotoelektrinog efekta i Komptonovog rasejanja interaguju sa materijom.

    Slabljenje intenziteta -zraenja pri prolasku kroz materijal debljine x ima eksponencijalni oblik (zakon apsorpcije -zraenja):

    xx II

    = e0

    - linearni koeficijent apsorpcije; zavisi od vrste apsorbera i energije -zraka.

  • 282

    Nuklearne reakcijeOsim spontane dezintegracije (transmutacije) jezgara, mogue je izazvati, indukovati raspad stabilnih jezgara u sudaru sa drugim jezgrima, subatomnim esticama ili -fotonima.

    (Indukovane) nuklearne reakcije (transmutacije) su procesi transformacije atomskih jezgara u interakciji sa esticama, drugim jezgrima ili fotonima.

    Kao i za radioaktivni raspad, i za nuklearne reakcije vae zakoni odranja.

    yYXx AZAZ

    AZ

    AZ

    4

    4

    3

    3

    2

    2

    1

    1++

    x - projektil;

    X - jezgro meta;

    Y - novonastalo jezgro;

    y - produkt reakcije (osloboeno radioaktivno zraenje - , , , subatomna estica, ). ++

    ++

    ++

    NCH

    HNaMg

    HeLiB

    147

    136

    11

    11

    2411

    2512

    42

    73

    105

    10 n

  • 283

    Energetski bilans nuklearne reakcije

    Energija nuklearne reakcije je razlika u kinetikoj energiji izmeu produkata nuklearne reakcije i estica koje ulaze u reakciju.

    Energija reakcije se moe nai iz razlike masa estica koje ulaze u reakciju i koje su produkti reakcije.

    xk

    yk

    YkyYxX EEEcmmmmQ +=++= )()]()[(

    2

    Reakcija je egzotermna (oslobaanje energije), ako je Q>0.

    Reakcija je endotermna (ostvaruje se na raun energije estice x koja izaziva reakciju), ako je Q

  • 284

    Nuklearna fisijaReakcija cepanja masivnog jezgra na dva manje masivna fragmenta je tzv. nuklearna fisija (Fermi - 1934.; Han, Majtner, trasman, Fri, 1939.).U-235 je jedini prirodni izotop urana, koji se u procesu fisije moe cepati pod uticajem sporih, tzv. termalnih neutrona (energija 0.04 eV ili manja).Proces fisije prikazan na slici je samo jedan od niza moguih, iji ishod su uvek drugi fragmenti (druga jezgra) i razliit broj novostvorenih neutrona.

  • 285

    Nuklearna fisija

    Prilikom fisije urana, prosean broj neutrona stvorenih u reakciji je 2.5 to je vie nego dovoljno da se reakcija sama odrava. Neutroni nastali pri fisiji uzrokuju nove reakcije fisije i tako nastaje niz vezanih reakcija ili tzv. lanana reakcija.

    Za vreme nekontrolisane lanane reakcije, u veoma kratkom vremenu (milioniti delovi sekunde) izvri se na hiljade fisionih reakcija i oslobodi se ogromna koliina energije - primer atomske bombe.

    Prilikom jedne fisije U-235 se oslobaa energija, priblino oko 200 MeV, od ega vei deo otpada na kinetiku energiju produkata fisije, to je 108puta vie nego u obinoj hemijskoj reakciji (sagorevanju fosilnog goriva).

    Ograniavanjem (kontrolisanjem) broja neutrona koji uestvuju u reakcijama fisije, mogue je uspostaviti stanje da samo jedan novostvoreni neutron izaziva novu fisiju. To je tzv. kontrolisana fisija koja se primenjuje u nuklearnim reaktorimaza proizvodnju nuklearne energije.

  • 286

    Nuklearna fuzijaU procesima fisije (cepanja) masivnija atomska jezgra sa energijom veze po nukleonu od oko 7.6 MeV se raspadaju na fragmente sa energijom veze po nukleonu od oko 8.5 MeV (stabilnija jezgra). Razlika od 0.9 MeV je energija koja se oslobodi po jednom nukleonu u fisiji.

    Spajanje lakih jezgara takoe sugerie na mogunost egzotermne nuklearne reakcije (sa oslobaanjem energije)

  • 287

    Nuklearna fuzijaNuklearna fuzija je proces spajanja lakih jezgara, sa relativno malom energijom veze po nukleonu, u masivnije jezgro vee energije veze po nukleonu. Osloboena energija u tom procesu je znatno vea nego u procesima fisije (3.5 MeV po nukleonu).

    Za ostvarivanje fuzije, neophodno je savladavanje elektrostatike sile odbijanja izmeu pozitivnih jezgara koje ulaze u proces.

    Velika kinetika energija veem broju jezgara se moe saoptiti jedino na tempe-raturama reda 108 K, prevoenjem fuzio-nog goriva u stanje plazme (smea elek-trona i jezgara - jonizovana materija).

    Problem kontrole (odravanja) stanja plazme jo uvek nije uspeno reen.

    Osnovne karakteristike atomskog jezgraOsnovne karakteristike atomskog jezgraDefekt mase jezgra i energija vezeDefekt mase jezgra i energija vezeDefekt mase jezgra i energija vezeRadioaktivni raspadRadioaktivni raspadVrste radioaktivnog raspada - radioaktivni raspad - radioaktivni raspad - radioaktivni raspad - radioaktivni raspadRadioaktivni raspad - radioaktivni nizInterakcija radioaktivnog zraenja sa materijomInterakcija radioaktivnog zraenja sa materijomInterakcija radioaktivnog zraenja sa materijomInterakcija radioaktivnog zraenja sa materijomNuklearne reakcijeEnergetski bilans nuklearne reakcijeNuklearna fisijaNuklearna fisijaNuklearna fuzijaNuklearna fuzija