Fizyka jądrowa

1. Budowa atomu:


Wewnątrz atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, a wokół niego po odpowiednich torach krążą elektrony. Średnica atomu jest rzędu 10-10m , zaś jądra atomowego 10-15m. W jądrze znajdują się protony i neutrony. W atomie liczba neutronów jest równa bądź większa od liczby protonów. Liczba atomowa : to liczba protonów w jądrze atomu danego pierwiastka. Jest ona równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym. Oznaczamy ja literą Z. Liczba masowa : jest równa sumie nukleonów w jądrze atomu danego pierwiastka. Oznaczamy ją literą A. Pierwiastek to zbiór atomów o takiej samej liczbie atomowej. Izotopy to atomy tego samego pierwiastka różniące się masą (maja różne liczby neutronów w jądrze. Ze względu na pochodzenie izotopy dzieli się na trzy kategorie:
1) pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście in.
2) wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze) - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.
3) kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego - najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.




2. Promieniotwórczość naturalna:

Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek beta, cząstek alfa, promieniowania gamma. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.
Promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie) i promieniotwórczość sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).
Najkrócej i najprościej mówiąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Trzy główne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, jądrowe, energii fal sprężystych..
Naturalne źródła promieniowania

Przez całe życie nasze organizmy ludzkie są narażone na systematyczne aczkolwiek niezbyt duże promieniowanie naturalne.
Na naturalne źródła promieniowania składają się:
a) Ziemia, jest naturalnym źródłem promieniowania, które jest związane z występowaniem w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych
b) Nieodpowiednie materiały budowlane użyte przy budowie domów, budynków. Takim materiałem jest na przykład granit. Nieodpowiednie jest także dodawanie do tych materiałów popiołów i żużlów hutniczych zawierających zagęszczone ilości radioaktywnego węgla.
c) Radon (gaz szlachetny, Rn) w powietrzu, emitowany z niektórych rodzajów wód na przykład mineralnych.
d) Radon w budynkach, wydzielany z gleby i gromadzący się w niewietrzonych pomieszczeniach. Ze wszystkich źródeł naturalnych daje największą dawkę promieniowania. Dlatego mieszkania bezwzględnie należy wietrzyć.
e) Promieniotwórcze jądra atomów zawartych w organizmie człowieka: 40K, 226Ra, 218Po.
f) Izotop uranu, używany między innymi w reaktorach atomowych.
g) Izotop węgla, który pomaga w określeniu wieku skamieniałości.
h) Izotop kryptonu, który jest wysoce promieniotwórczy i szkodliwy. (dotychczas nie znalazł zastosowania)

Rodzaje i charakterystyka promieniowania

Promieniowanie jak już wcześniej wspominałam jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Oto kilka przykładów promieniowania:
a) Radiowe (radiowe fale), promieniowanie elektromagnetyczne, fale o długości 10–4–105m
(mikrofale 10–4-1 m, ultrakrótkie 1-10m, krótkie 10-100m, średnie 100-1000m, długie 1k-100km). Źródłem fal radiowych są nadajniki radiowe i radioźródła. Fale radiowe stosowane są w radiokomunikacji, grzejnictwie, medycynie.
b) Mikrofalowe, fale elektromagnetyczne z zakresu fal radiowych, o długości od 1m do około 0,1 mm. Częstotliwość od 300 MHz do około 3000 GHz. Promieniowanie mikrofalowe jest wykorzystywane w komunikacji, grzejnictwie elektrycznym, medycynie a także radiolokacji.
c) Podczerwone, (podczerwień, promieniowanie infraczerwone, promieniowanie IR) promieniowanie elektromagnetyczne o fali długości około 0,76-2000 μm. Obszar promieniowania infraczerwonego umownie dzieli się (wraz z rosnącą długością fali) na podczerwień bliską, średnią i daleką. Promieniowanie IR jest emitowane przez ogrzane ciała i niektóre lampy żarowe i wyładowcze. Podczerwień jest wykorzystywana między innymi do suszenia.
d) Jonizujące powstaje w wielu procesach, między innymi w pierwiastkach promieniotwórczych na skutek przemian jądrowych (zmiana nukleonów w jądrze). Nie każde izotopy zdolne są do takich przemian, zdolne są tylko te o nieodpowiedniej liczbie neutronów w jądrze atomowym. Liczba neutronów w jądrze atomu powinna być nieco wyższa od liczby protonów po to aby siły oddziaływania jądrowego mogły utrzymać jądro w stabilności, gdy liczba neutronów w jądrze jest zbyt duża to atom dąży do pozbycia się ich i dochodzi do promieniowania (uwalnia się energia).
e) Alfa, powstaje w wyniku rozpadu jąder atomowych (zazwyczaj ciężkich). Promieniowanie to polega na emisji jąder helu He, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
f) Beta, jest to strumień elektronów (negatonów bądź pozytonów) powstający w wyniku rozpadu beta, który polega na uwolnieniu strumienia elektronów z jądra atomowego. Rozróżniamy dwa promieniowania beta:
1) Promieniowanie beta minus (elektronów z ładunkiem ujemnym) powstające w wyniku przemiany neutronu w proton w jądrze atomowym. W tym przypadku liczba atomowa (liczba protonów) powstałego atomu jest zawsze o jeden większa od liczby atomowej jądra macierzystego.
2) Promieniowanie beta plus (elektronów z ładunkiem dodatnim). Z tym promieniowaniem mamy do czynienia kiedy w jądrze atomowym dochodzi do zamiany protonu w neutron. W czasie tej przemiany dochodzi właśnie do powstania promieniowania beta plus, po tej przemianie liczba atomowa powstałego atomu jest zawsze o jeden mniejsza od liczby atomowej atomu macierzystego. Jeśli cząstki promieniowania beta plus (elektrony z ładunkiem dodatnim) spotkałyby się z cząstkami promieniowania beta minus (elektrony z ładunkiem ujemnym) doszłoby do natychmiastowej anihilacji, czyli zamiany materii w energię, a także do uwolnienia promieniowania gamma.
g) Gamma to krótkofalowe, elektromagnetyczne promieniowanie. Długość fali jest zazwyczaj mniejsza od 10–11 m, emitowane jest przez promieniotwórcze bądź wzbudzone jądra atomowe, a także w wyniku anihilacji pary elektron (negaton)-pozyton
h) Rentgenowskie (promienie Roentgena, promienie X), jest to przenikliwe promieniowanie elektromagnetyczne. Fale długości około 0,0001-100 nm, dzieli się na twarde (bardziej przenikliwe) i miękkie (mniej przenikliwe). Źródłami promieni rentgenowskich są pierwiastki promieniotwórcze, lampy rentgenowskie a także akceleratory cząstek (służące do przyspieszania cząstek i rozbijania ich). Promienie X wykorzystywane są w medycynie (prześwietlenia), a także w badaniach struktury kryształów.
i) Nadfioletowe (nadfiolet, promieniowanie ultrafioletowe, ultrafiolet, promieniowanie UV), elektromagnetyczne, niewidzialne promieniowanie. Fale o długości od 10 do 400 nm. Obszar promieniowania ultrafioletowego umownie dzieli się na 4 zakresy (zgodnie z malejącą długością fal) A, B, C, i nadfiolet próżniowy. Największym i najsilniejszym źródłem tych fal jest Słońce.
j) Kosmiczne (odkryte w 1912 roku) - strumień cząstek dobiegających do zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Składa się głównie z protonów, cząstek i jąder innych pierwiastków. Te zaś, zderzając się z atomami i cząsteczkami zawartymi w atmosferze, wytwarzają kaskady protonów, elektronów, pozytonów, neutrin (tzw. promieniowanie wtórne), dobiegających do powierzchni Ziemi, a także wnikających pod powierzchnię. Jego skutek to wzrost jonizacji powietrza oraz powstanie izotopów o znaczeniu biologicznym (trytu, 7Be, 14C, 22Na).
k) Słoneczne, w postaci strumienia fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych, do Ziemi dociera ze Słońca. Około 30% fal promieniowania słonecznego jest odbijane od atmosfery, 20% jest przez nią pochłaniane, a 50% dociera do powierzchni Ziemi
l) Promieniowanie reliktowe (promieniowanie tła), mikrofalowe promieniowanie stanowiące pozostałość po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Przyjęło nazwę reliktowe bądź szczątkowe falowe promieniowanie. Nie jest ono związane z cząstkami materii, lecz wypełnia Wszechświat w postaci kwantów.

3. Szereg promieniotwórczy:


Naturalne szeregi promieniotwórcze są to rodziny nuklidów promieniotwórczych kolejno przekształcających się jedne w drugie na drodze sekwencyjnych rozpadów alfa lub beta. Nuklid jest to atom określonego rodzaju, scharakteryzowany jednoznacznie przez liczbę atomową, liczbę masową oraz poziom energetyczny. Tradycyjnie wyróżnia się cztery szeregi promieniotwórcze, a każdy zapoczątkowywany jest rozpadem innego bardzo długo życiowego izotopu promieniotwórczego:

- szereg promieniotwórczy uranowo-radowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 238U, a kończy na stabilnym 206Pb. Łącznie ma 18 nuklidów, najważniejsze to: 238U, 234U, 226Ra, 222Rn, 210Po, 210Pb
- szereg promieniotwórczy torowy. Rozpoczyna się od rozpadu alfa 232Th, a kończy na stabilnym 208Pb. Łącznie ma 12 nuklidów, najważniejsze to: 232Th, 228Th, 228Ra, 220Rn
- szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 235U, a kończy na stabilnym 207Pb. Łącznie ma 15 nuklidów, najważniejsze to: 235U, 231Pa i 223Ra
- szereg promieniotwórczy neptunowy. Rozpoczyna się rozpadem alfa 237Np, a kończy na stabilnym 209Bi. Łącznie ma 13 nuklidów, najważniejsze to: 237Np, 233U, 229Th

Trzy z nich (szereg uranowy, torowy i aktynowy) występują w środowisku naturalnym, przy czym ze względu na krótszy czas połowicznego rozpadu 235U (713 mln lat) w stosunku do analogicznych czasów dla 238U i 232Th (odpowiednio 4,49 i 13,9 mld lat), nuklidy szeregu aktynowego w porównaniu z nuklidami szeregu uranowego i torowego obecne są tu w ilościach śladowych.
Czwarty szereg promieniotwórczy (neptunowy) występował we wczesnym okresie istnienia Ziemi. Czas połowicznego rozpadu 237Np równy jest 2,2 mln lat. W śladowych ilościach pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek skażeń promieniotwórczych izotopem 241Pu, ponieważ rozpada się on na 241Am, a następnie 237Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg.
W układzie izolowanym, po dostatecznie długim czasie, substancje promieniotwórcze należące do danego szeregu promieniotwórczego osiągają stan równowagi promieniotwórczej (tzw. wiekowej), w środowisku naturalnym stan taki na ogół nie występuje.

Czas połowicznego rozpadu:

To czas, w ciągu którego liczba nietrwałych jąder atomowych (promieniotwórczych) pierwiastka, a zatem i aktywność promieniotwórcza, zmniejsza się o połowę. Jest to wielkość wynikająca z prawa rozpadu naturalnego
Czas połowicznego zaniku charakteryzuje dany izotop promieniotwórczy niezależnie od czynników zewnętrznych (np. temperatura, ciśnienie, postać chemiczna, stan skupienia itp.). Czas połowicznego zaniku jest pojęciem wykorzystywanym dla każdego rodzaju rozpadu promieniotwórczego.

4. Reakcja rozszczepienia jądra:


Reakcja rozszczepienia jądra atomowego jest to rodzaj rozpadu promieniotwórczego wzbudzonego jądra atomowego ciężkich pierwiastków na ogół na dwa, czasem na więcej fragmentów, również będących jądrami atomowymi. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów i promieni gamma oraz wydzielenie znacznej ilości energii. Powstałe w wyniku rozszczepienia jądra atomowego fragmenty mają nadmiar neutronów, które emitowane są z tych jąder po rozszczepieniu (część jako neutrony opóźnione). Rozkłady mas powstających w rozszczepieniu fragmentów mają charakterystyczny kształt z dwoma maksimami odpowiadającymi w przybliżeniu liczbom masowym A ≈ 100 i 140.
Istnieją rozszczepienia jądra atomowego spontaniczne (samorzutne), gdy jądro ulega rozszczepieniu po spontanicznym wzbudzeniu o charakterze fluktuacji - zjawisko występuje w przypadku bardzo ciężkich jąder, charakteryzuje go właściwy danemu izotopowi czas połowicznego rozpadu, oraz rozszczepienia jądra atomowego wymuszone, gdy wzbudzenie jądra wynika z absorpcji protonu, neutronu. Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 O. Hahn z F. Strassmanem.
Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder uranu i plutonu, gdyż izotopy 235U, 233U oraz 239Pu ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o dowolnie małej energii, podczas gdy większość izotopów ciężkich pierwiastków ulega rozszczepieniu od pewnej progowej energii bombardującego neutronu.
W naturze reakcje jądrowe zachodzą głównie w gwiazdach, gdzie energia ruchu cieplnego w temperaturach ponad 107K jest wystarczająca do pokonania odpychania ładunków elektrycznych jąder.

Synteza jądrowa:

Proces łączenia się jąder lekkich pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków (nukleosynteza), jądra posiadają dodatni ładunek elektryczny i wzajemnie się odpychają, ich zbliżenie się do siebie na odległości, przy których przyciąganie powodowane przez oddziaływanie silne przezwycięży to odpychanie najłatwiej osiąga się w wysokich temperaturach (większych niż 107 K), stąd reakcje syntezy jądrowej nazywane są reakcjami termojądrowymi.
W reakcjach syntezy jądrowej wydzielają się znaczne ilości energii, w naturze procesy te odpowiadają za produkcje energii w gwiazdach - cykl p-p, cykl CNO (H.A. Bethe). Na Ziemi udaje się przeprowadzić reakcję syntezy jądrowej w skali modelowej (pojedyncze jądra w eksperymentach akceleratorowych), niekontrolowane reakcje wybuchowe (broń termojądrowa), lub w sposób kontrolowany przez bardzo krótki okres czasu (tokomak).
Reakcjami syntezy jądrowej charakteryzującymi się największym przekrojem czynnym już w stosunkowo niskich energiach są procesy (w nawiasach wydzielana w jednej reakcji energia wyrażona w MeV): 2H+3HT4He+n (17,6), = 2H+2HT3H+p (4,0), 2H+3HeT4He+p (18,3), 3H+3HT4He+2n (11,3), teoretycznie nie można wykluczyć doprowadzenia do syntezy jądrowej poprzez wykorzystanie efektu tunelowego wraz z obniżeniem odpychającego potencjału jąder przez działanie odpowiednich pól wewnątrz kryształów, stąd poszukiwania tzw. zimnej fuzji.

Zastosowanie energii jądrowej:
Energia jądrowa odgrywa duże znaczenie na świecie. W elektrowni jądrowej energię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej. Obecnie elektrownie jądrowe produkują ponad 20% całkowitej światowej energii elektrycznej
Energia jądrowa ma ogromne znaczenie dla ludzkości. Na dużym statku zużycie paliwa podczas podróży międzykontynentalnej wynosi 5000 ton. Przy wykorzystaniu paliwa atomowego wystarczy tylko 10 ton uranu, czyli 500 razy mniej. Ten przykład wyraźnie ilustruje jak ogromną energię można wytwarzać dzięki promieniotwórczości. Energię jądrową, która powstaje w wyniku naturalnego rozpadu promieniotwórczego pierwiastka można wykorzystać również do celów medycznych. Obecnie wiele koniecznych i nieodzownych badań nie mogło by się bez niej odbyć.

Każdy wynalazek może być wykorzystany w sposób ułatwiający życie człowieka, ale i jako czynnik to życie unicestwiający. Ludzi potrafią prawie każde dobrodziejstwo przemienić w czynnik bardzo niekorzystny, a nawet śmiertelny. Tak właśnie stało się z energią jądrową, którą to wykorzystano do produkcji bomby atomowej. Po wybuchu w Hiroszimie i Nagasaki przyniosła śmierć wielu tysiącom ludzi jak również przysporzyła ogromne straty materialne.

Energia jądrowa to nie tylko same korzyści. W wyniku jej powstawania wysyłane jest promieniowanie jonizujące, szkodliwe dla organizmów żywych a szczególnie dla ludzi. Pochłaniana przez ciało ludzkie energia promieniowania powoduje zakłócenie procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w organizmie, uszkodzenie komórek lub zmiany genetyczne i nowotworowe.