Fizyka jądrowa.
1.Cząsteczki
Wiele zjawisk chemicznych i fizycznych dowodzi, że wszystkie ciała składają się z najdrobniejszych cząsteczek (molekuł), które znajdują się w nieustannym, chaotycznym ruchu cieplnym. Zależność własności ciał od ruchu cząsteczek jest przedmiotem badań molekularno- kinetycznej teorii materii. Teraz rozpatrzymy dwie własności cząsteczek: ich masę, oraz rozmiary.
a) masy cząsteczek
Masy (ciężary) molekuł i atomów mierzymy w specjalnych jednostkach: za jednostkę masy (ciężaru) atomowej i cząsteczkowej przyjęto 1/12 masy (ciężaru) atomu izotopu węgla 12C. Ta jednostka masy tak się po prostu nazywa - atomowa jednostka masy. Oznaczamy ja skrótem a.j.m. lub (u). W przybliżonych obliczeniach można przyjąć, że jest ona równa masie atomu wodoru. Znając ciężar cząsteczkowy substancji i liczbę w gramocząsteczce (liczba Avongarda N= 6*1023 mol-1) łatwo można obliczyć masę cząsteczki w gramach, na przykład ciężar cząsteczkowy wody (H2O) równy jest 18g, co oznacza, że gramocząsteczka wody ma masę 18g. A więc masa jednej cząsteczki wody w gramach wynosi 18g*mol-1/ 6*1023 mol-1 = 3*1023g.
b) rozmiary cząsteczek
Znając gęstość materii w stanie stałym lub ciekłym można znaleźć średnie rozmiary cząsteczek przy założeniu, że cząsteczki te są ciasno upakowane jedna obok drugiej. Gęstość wody na przykład wynosi r= 1g/cm3, czyli gramocząsteczka wody zajmuje objętość V= 18cm3 *mol-1 . Dzieląc tę objętość przez liczbę Avongarda znajdujemy przypadającą ba jedna cząsteczkę objętość V0 = 3*10-23cm3. Jeżeli przyjmiemy dla uproszczenia, że jest to objętość pewnego sześcianu, to krawędź takiego sześcianu będzie miała długość d= 3sqrtV3. Można także posługiwać się innymi metodami określania rozmiarów cząsteczek: na przykład z pomiaru długości drogi swobodnej cząsteczki gazu lub przy pomocy dyfrakcji promieni rentgenowskich w kryształach. Wszystkie te metody dają w przybliżeniu te same wyniki. Rozmiary cząsteczek z reguły zwiększają się wraz ze zwiększaniem się ciężaru cząsteczkowego. Na ogół, w przypadku związków nieorganicznych, na których cząsteczki zawierają niewiele atomów, rozmiary cząsteczek zawarte są w granicach 10-8-10-7 cm . Cząsteczki związków organicznych, zawierające wiele atomów, mogą mieć wymiary 10 i 100 razy większe.
2. Własności atomów i jąder atomowych.
a) pierwiastki chemiczne
Atomy są częściami składowymi cząsteczek. Atomy różnią się między sobą przede wszystkim własnościami chemicznymi, to jest zdolnością do łączenia się z innymi atomami i tworzenia cząsteczek. Zbiór atomów posiadających te same własności chemiczne nazywamy pierwiastkiem chemicznym.
b) Izotopy i prawo rozpadu
W chemii masy atomowe wyznacza się ze stosunków mas pierwiastków wchodzących w reakcję. Przy tym powinien być znany ciężar atomowy jednego z tych pierwiastków i wzór chemiczny substancji otrzymanej w wyniku tej reakcji. Ponieważ reakcje przeprowadza się z makroskopowymi ilościami substancji, które zawierają ogromną liczbę atomów, możemy oczywiście w ten sposób znaleźć tylko .średnią masę atomową. Pozostaje pytanie, czy wszystkie atomy jednego pierwiastka chemicznego są jednakowe. Dokładniejsze wyznaczenie względnych mas atomowych przeprowadza się metodą odchylania wiązki zjonizowanych (tj. pozbawionych jednego lub kilku elektronów) atomów w polach magnetycznym i elektrycznym (tj. najprostsza metoda obliczania masy jąder atomowych - metoda spektometrii masowej) Rys. 1. Z takich pomiarów wynika, że atomy o takich samych własnościach chemicznych, a więc i takiej samej liczbie porządkowej w tablicy Mendelejewa, dzielą się na kilka grup masowych. Zbiór atomów danego pierwiastka mających te samą masę atomową nazywamy izotopem tego pierwiastka. Pierwiastek chemiczny może składać się z kilki izotopów. Najbliższą masie atomowej liczbę całkowitą nazywamy liczbą masową i oznaczamy ją literą A. W celu rozróżnienia izotopów tego samego pierwiastka przy symbolu chemicznym pierwiastka stawiamy jako wskaźnik z lewej strony u góry liczbę masową. Liczbę porządkowa oznaczamy jako wskaźnik z lewej strony u dołu- Z (liczba protonów), zaś z prawej strony u dołu mamy liczbę neutronów- N.
(A= Z + N). Rys. 2 Większość pierwiastków posiada jeden lub dwa izotopy stabilne, a ponadto izotopy nietrwałe, podlegające rozpadom promieniotwórczym. Wszystkie jądra, w których jest za dużo neutronów, podlegają rozpadom b (czyli wysyłają promieniowanie b ). Jądra o bardzo dużej liczbie protonów i neutronów (jak np. jądro uranu) nie maja żadnego izotopu stabilnego. Te, które „żyją” najdłużej, rozpadają się, emitując cząstki a (zob. ptk. 4.-promieniowanie alfa)
Po rozpadzie b jądro zmienia się w jądro innego pierwiastka, ponieważ rozpad neutronu na proton zwiększa o 1 wartość liczby atomowej. Ogólnie rozpad b można zapisać: Rys 4a. ciec przy czym w bilansie pominięto neutrino, dla którego A= Z= 0, bo neutrino nie jest nukleonem i nie ma ładunku. Emisja cząstki a zmniejsza Z o 2, a A o 4, czyli też powoduję przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym w inne miejsce.
Rys. 4b. Są to tzw. Reguły przesunięć Soddy’ego i Fajansa.
Stała rozpadu- jest to wielkość charakterystyczna dla danego izotopu i nie należy od żadnych wielkości fizycznych opisujących jego stan. Oznaczony jest symbolem l na
Rys. 5.
Z tego równania możemy wyprowadzić tzw. Prawo rozpadu, tj. obliczyć liczbę atomów (jąder) N(t) tego samego pierwiastka pozostałych w próbce z pierwotnej liczby No po upływie czasu t. Prawo te wyrażamy wzorem:
N(t)=N0e-lt , gdzie e wynosi ok. 2,78 i jest podstawą logarytmów naturalnych.
c) rozmiary jądra atomowego
Mówi nam o tym doświadczenie Rutherforda, w którym kąt rozproszenia cząstek a jest tym większy im bliżej jądra atomowego przebiega ta cząstka.
rj = r0* A1/3
A- liczba masowa
r0- promień Bohrowski = const = 1,2*10-15 m
Objętość jąder atomowych jest proporcjonalna do liczny masowej pierwiastka, a więc jest mniejsza dla pierwiastków lekkich i wzrasta przy przechodzeniu do pierwiastków coraz cięższych.
Vj = 4/3p*r03 *A
d) spin jądra atomowego
Za pomocą różnych metod wyznaczono spiny w stanie podstawowym prawie wszystkich znanych nukleonów. Okazało się, że:
- nukleony o parzystej liczbie masowej mają spin całkowity, przy czym wartość- tego spinu dla nukleonów parzysto - parzystych wynosi zero, dla nieparzysto- parzystych przyjmuje się wartości 1,2,...6;
- nukleony o nieparzystej liczbie nukleonów maja spiny połówkowe o wartościach 1/2, 3/2,...9/2.
W jądrze atopowym protony i neutrony mają własny moment pędu- inaczej spin. Moment pędu jądra atomowego jest sumą wektorową wszystkich nukleonów wchodzących w skład jądra. Rys. 3
e) niedobór masy atomu tj. w stanie podstawowym atomu, dążenie do zespolenia jądra- atomu) - DM= (Zmp+Nmn+Zme)- M [u],
gdzie:
mp= 1, 0073 u
mn= 1, 0087 u
me= 0, 00055 u
a M- masa atomu, dana dla każdego pierwiastka.
f) energia
Najpierw przypomnimy, wzór na energie, którego twórcą jest Einstein E= mc2, wszakże ten wzór pozwala nam określić wzór na energie jąder atomowych E= DMc, gdzie c- 931 [MeV]. To jest wzór na wydzielona energię, zaś odwrotnie, żeby atom rozłożyć na części składowe, należy dostarczyć energii Ew, czyli tzw. energię wiązania. Dzięki znajomości ile wynosi energia wiązania i liczbę nukleonów jesteśmy w stanie obliczyć średnią energię wiązania, czyli Ew/A [MeV].
g) siły w jądrze atomowym, oddziaływania cząstek elementarnych i wzajemne przejścia.
Oddziaływania cząstek elementarnych sprowadzają się do tego, że jedne cząstki mogą przechodzić w drugie, W szczególności przejścia te mogą być samorzutnymi rozpadami cząstki na kilka innych lżejszych cząstek. Tylko foton, elektron neutrino elektronowe i mionowe oraz proton, a także odpowiadające im antycząstki są trwałe, to znaczy mogą istnieć dowolnie długo. Samorzutny rozpad zachodzi przeciętnie w ciągu pewnego czasu, charakterystycznego dla danej cząstki, który nazywa się średnim czasem życia. Wyróżniamy 4 typy oddziaływań: słabe, elektromagnetyczne, silne i grawitacyjne. W oddziaływaniu elektromagnetycznym biorą udział fotony i wszystkie cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym. Polega ono na tym, że cząstka naładowana emituje fotony (wytwarza wokół siebie pole elektromagnetyczne). Następnie fotony mogą zostać pochłonięte przez inną cząstkę naładowana (na tę cząstkę działa pole elektromagnetyczne). Przy wysysaniu i pochłanianiu fotonów cząstka naładowana zmienia swoją prędkość (energię kinetyczną) lecz wszystkie inne jej własnością pozostają niezmienione. Oddziaływanie między nukleonami nazwano oddziaływaniem silnym, usuwającym w cień każde ze znanych do tej pory oddziaływań. Nazwano je siłami jądrowymi.
Siły jądrowe są krótkiego zasięgu, licząc od centrum jądra atomu. Wartość ich gwałtownie maleje do zera już w odległości ok. 2*10-15 m od centrum jądra atomowego.
3. Rodzaje reakcji jądrowych
a) rozszczepienie jądra atomowego i synteza
Proces łączenia się jąder lekkich pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków, jądra posiadają dodatni ładunek elektryczny i wzajemnie się odpychają, ich zbliżenie się do siebie na odległości, przy których przyciąganie powodowane przez oddzia³ywanie silne
Szczególną reakcją jądrową ze względu na zastosowanie jest reakcja rozszczepienia jądrowego. Polega ono na rozkładzie jądra atomowego na dwa, czasami trzy jądra oraz kilka nukleonów. Rozpad nie zachodzi samorzutnie, ale jest wywołany przez promieniowanie jądra neutronami. Rozszczepieniu jądra ulegają tylko niektóre jądra. Są to jądra bardzo ciężkie i wniknięcie do nich neutronu powoduje, że zachowują się jak dodatnio naładowana kropelka i spowodowała rozpad dużej, ciężkiej kropli na dwa mniejsze. Neutron może wniknąć do jądra dzięki temu, że jest obojętny elektrycznie nie jest więc odpychany przez znajdujące się w jądrze dodatnie protony. Neuron wnosi do jądra energię, która pozwala dwóm jego częściom oddalić się od siebie na odległość większą od zasięgu sił jądrowych. Zasięg tych sił jest bardzo mały. Gdy to nastąpi, dwie części dawnego jądra- dwa nowe jądra- na skutek odpychania elektrostatycznego uzyskują bardzo duże energie kinetyczne. Wydziela się również energia w postaci promieniowania g. Energia rozszczepienia jądra może być wykorzystana w elektrowni jądrowej do wytworzenia pary wodnej o wysokiej temp.., która porusza turbinę. Może być również wykorzystana, niestety w najbardziej okrutnej broni- w bombie atomowej. Rys. 10.
b)powstanie energii
Anihilacja par, przekształcenie się pary cząstka-antycząstka (fermionów) w cząstki o spinie całkowitym (bozony). Typowym przykładem anihilacji jest proces e+e- ⇒2γ, gdzie: e+ pozyton, e- neegaton, 2γ oznacza dwa kwanty gamma. Anihilacja prowadząca do emisji jednego kwantu gamma jest zabroniona przez zasady zachowania pędu i energii, staje się możliwa tylko wtedy, jeśli w procesie bierze udział trzecie ciało (np. negaton jest związany z jądrem). Przeciwieńswtem anhilacji jest kreacja:
Kreacja, powstawanie nowych cząstek w procesach oddziaływań cząstek elementarnych. Procesy kreacji podlegają prawom zachowania: energii, ładunku elektrycznego, liczby barionowej, liczb leptonowych, parzystości CPT, pędu, momentu pędu. Kreacja cząstek następuje kosztem energii kinetycznej lub potencjalnej (energia potencjalna) układu.
c)Antymateria
Antymateria, materia zbudowana z antyprotonów z antyneutronów i pozytonów. W hipotetycznym świecie zbudowanym z a. obowiązują te same prawa fizyki jak w naszym, zbudowanym z materii. Praktycznie oba te światy są trudne do rozróżnienia (oddziaływania silne jądrowe i elektromagnetyczne są identyczne dla cząstek materii i antymaterii). Zetknięcie się cząstek materii i antymaterii objawia się katastrofą - zamianą całej masy układu w energię. Przytłaczająca przewaga ilościowa materii w obserwowanym Wszechświecie (nie stwierdzono dotychczas obszarów zbudowanych z antymaterii), przez wiele lat pozostająca zagadką, jest obecnie wyjaśniana jako rezultat niezachowania parzystoœci w oddziaływaniach słabych , przez co we wczesnych fazach istnienia Wszechświata, gdy tworzyły się cząstki elementarne, pojawił się pewien nadmiar cząstek nad ich antycząstkami.
4. Modele budowy atomów
model Thomsona Rys. 6
model Rutherforda Rys. 6
postulaty Bohra
- elektron może się tylko poruszać - po takiej orbicie gdzie moment pędu krążącego elektronu równy jest całkowitej wielokrotności stałej Plancka- h, podzielonej przez 2p.
pęd= n*h/2p, czyli mVr= n*2p, gdzie n- to liczba kwantowa (n=1, 2, 3,...)
- atom przechodząc ze stanu stacjonarnego o energii Ew do stanu stacjonarnego o niższej energii Ek, wypromieniowuje jeden foton o energii równej różnicy energii w stanie początkowym i końcowym.
hn= En - Ek
model kroplowy
Model ten powstał na gruncie takich analogii między jądrem atomowym a kroplą cieczy jak stała gęstość materii jądrowej i energii wiązania na jeden nukleon, podobna do stałej gęstości cieczy nieściśliwej i stałej jej energii wiązania na jednostkę objętości. Podstawowe założenie tego modelu mówi, że średnia droga swobodna nukleonu w jądrze jest znacznie mniejsza od rozmiarów jądra na skutek silnych oddziaływań między nukleonami. Prowadzi to do całkowitej korelacji ruchów nukleonów, tak, że stany energetyczne jądra są stanami całego układu, a nie poszczególnych wchodzących w jego skład cząstek. Model ten pozwolił na opisanie szeregu własności jąder, takich jak masy i energia wiązania, oraz związanych z tym zagadnień stabilności, a także pewnych faktów z fizyki rozszczepienia jąder. Rys. 8a.
model powłokowy
Model cząstek niezależnych. Zakładając przy tym, że oddziaływanie między cząsteczkami sprowadzić możemy do oddziaływania z pewnym uśrednionym polem. Rys. 8b.
5. Promieniowanie alfa, beta, gamma, i rozproszenie
Promieniowanie a, składa się z cząstek naładowanych dodatnio ładunkiem dwukrotnie większym od ładunku elektronu. Ich masa jest ponad 7000 racy większa od masy elektronu.
Promieniowanie g to promieniowanie elektromagnetyczne, którego częstotliwość jest wielokrotnie większa od częstotliwości promieniowania widzialnego, ultrafioletowego, a nawet promieniowania X (rentgenowskie), wysyłanego przez wzbudzone atomy. Jest ono bardzo przenikliwe: przechodzi nawet przez grube warstwy ołowiu.
Promieniowanie b składa się z cząstek ujemnie naładowanych. Ustalono, że są to elektrony, ale ich energia jest znacznie większa od energii jonizacji, a więc i od energii elektronów krążących w atomie. Cząstki b są pochłaniane w materii znacznie intensywniej niż promieniowanie g, choć ich zasięg jest tym większy, im większa jest ich energia. Nawet dla elektronów o energii rzędu kilku megaelektronowoltów (MeV) już kilka milimetrów metalu lub szkła stanowi wystarczającą osłonę.
Doświadczenie Rutherforda i Thomsona- Rys. 6.
Rozproszenie cząstek a - doświadczenie Rutherforda- Rys. 7.
6. Elektrownie jądrowe
W elektrowni jądrowej następuje w procesie rozszczepiania jąder atomów uranu, plutonu lub toru wyzwolenie energii cieplnej, którą wykorzystuje się do wytworzenia pary wodnej. Energia cieplna tej pary zostaje przemieniona w energię mechaniczną w procesie rozprężania pary zachodzącego w turbinie, a dalej następuje przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną w napędzanym przez łopatki turbiny generatorze prądu.
Reakcja rozszczepienia jądra uranu, plutonu lub toru następuje wówczas gdy po zderzeniu neutronu z jądrem pierwiastka następuje pochłonięcie neutronu. W wyniku rozszczepienia jądra pierwiastka ciężkiego (jakim jest uran, pluton i tor) powstają dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wykorzystanie tej energii cieplnej jest celem eksploatacji reaktorów energetycznych,. Część pozostałej energii wydziela się w postaci promieniowania gama, dalsza jej część wydziela się z opóźnieniem jako promieniowanie beta i gama produktów rozszczepienia.
Obieg technologiczny elektrowni jądrowej dzieli się na:
* obieg pierwotny, który obejmuje rozszczepianie atomów, wytwarzanie energii cieplnej w reaktorze jądrowym i przekazanie jej w wymienniku do obiegu wtórnego
* obieg wtórny obejmuje wszystkie dalsze ogniwa procesu technologicznego wytwarzania energii elektrycznej
Podstawowym elementem obiegu pierwotnego jest reaktor. Najbardziej rozpowszechnione reaktory energetyczne to reaktory wodne i ciśnieniowe.
Awarie w elektrowniach jądrowych: amerykańskiej w Three Island w 1979 i radzieckiej w Czarnobylu 1986 wywołały wiele kontrowersji. Koncern ABB zaprojektował elektrownię jądrową z reaktorem PIUS, a koncern Westinghouse nazwał bezpieczny reaktor jądrowy kryptonimem AP-600. Oba reaktory charakteryzują się tym, że bezpieczeństwo ich pracy osiągnięto przez odwrócenie dotychczasowych zasad projektowania: zamiast powiększenia liczby urządzeń i stosowania wyrafinowanych układów bezpieczeństwa zastosowano tzw. pasywny (bierny system bezpieczeństwa). Polega on na tym, że reaktor jest bezpiecznie odstawiany przy jakimkolwiek zaburzeniu w jego pracy - bez działania urządzeń pomocniczych, a jedynie przez działanie sił grawitacji (np. naturalne chłodzenie powietrzne). Rozwiązania techniczne zastosowane przy projektowaniu elektrowni jądrowych z reaktorami PIUS i AP-600 wydają się tworzyć nową erę całkowicie bezpiecznej energetyki jądrowej.
Obiegi wtórne w elektrowni jądrowej to obieg parowy, wodny i elektryczny, które są w zasadzie identyczne jak w elektrowni konwencjonalnej. Dodatkowe wymagania co do elementów tych obiegów dotyczą zwiększonej niezawodności działania, wynikającej z specyfiki elektrowni jądrowej.
7. Bomba jądrowa
Inaczej zwana bombą atomową to bomba o ładunku jądrowym należąca do broni masowego rażenia; budowa, rozmiary i masa zbliżone do konwencjonalnej bomby lotniczej. Ładunek jądrowy stanowi substancja rozszczepialna (uran 235 lub pluton 239). Do momentu wybuchu ładunek jądrowy jest podzielony na kilka części, każda o masie mniejszej od masy krytycznej. Poszczególne części ładunku jądrowego umieszczone są w reflektorze neutronów, który ogranicza wylot neutronów, zwiększa przychwytywanie rozszczepiającej się w wyniku reakcji termojądrowej substancji, a tym samym zwiększa moc wybuchu. Pod wpływem wybuchu zwykłego ładunku wybuchowe- go poszczególne części ładunku jądrowe- go łączą się w masę ponad krytyczną, wywołującą natychmiastową łańcuchową reakcję jądrową i wybuch. Moc wybuchu bomby atomowej określa równoważnik trotylowy. Urządzenie zapłonowe bomba jądrowa składa się z mechanizmu o działaniu czasowym lub uderzeniowym. detonatora i ładunku materiału wybuchowego. Powłoka bomby jądrowej wykonywana jest z twardego, trudno topliwego materiału, który zmniejsza w początkowym okresie reakcji jądrowej rozpadnięcie się ładunku, a przez to zwiększa jego wykorzystanie i moc wybuchu jądrowego. Bomby jądrowe dzieli się na bomby rozszczepieniowe i bomby termojądrowe a także neutronowe.
Moc:
Moc ładunku jądrowego określa się za pomocą równoważnika trotylowego. Jest to ilość trotylu niezbędna do uzyskania energii odpowiadającej energii wybuchu danego ładunku jądrowego. Równoważnik trotylowy oznacza się skrótem kt (kilotona) lub Mt (megatona). Wybuch bomby jądrowej o sile 1 kt jest równy wybuchowi jednego tysiąca ton trotylu, a wybuch o mocy 1 Mt odpowiada wybuchowi jednego miliona ton trotylu. Rys. 9.
Historia:
Broń jądrową po raz pierwszy zastosowali Amerykanie. Została ona zrzucona z samolotów na japońskie miasta Hiroszimę i Nagasaki. Broń ta jest środkiem walki która może przyczynić się do samozagłady ludności. Jest bardzo groźna i może dostać się w niepowołane ręce. Do grupy tej należą głowice, których jedynym źródłem energii (oczywiście z wyjątkiem ładunku konwencjonalnego) jest reakcja rozszczepienia . W bombach takich poprzez gwałtowne złączenie (w wyniku wybuchu ładunku konwencjonalnego) kilku (z reguły dwóch) części ładunku rozszczepialnego o masie podkrytycznej przekracza krytyczną granicę reakcji. Rys. 11.
Bibliografia:
„Fizyka atomowa i jądrowa” G.E. Pustowałow
„Wstęp do fizyki jądra atomowego” A. Strzałkowski
„Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych” M. i K. Fiałkowscy, B. Sagnowska
„Fizyka” Kopecki
Inne pomoce naukowe; internet, zeszyty, kasety video.