• Nie Znaleziono Wyników

Budowa jądra atomowego - MODEL

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Budowa jądra atomowego - MODEL"

Copied!
55
0
0

Pełen tekst

(1)
(2)

Budowa jądra atomowego - MODEL

- Centralna część atomu (rozmiar: ~10-10 m) - Rozmiar liniowy jąder atomowych ~ 10-15 m - skupiona prawie cała masa

- Jądra stabilne (czas życia b. długi), jądra niestabilne (ulegają rozpadowi)

(3)

Wielkości charakteryzujące

- Liczba atomowa Z (liczba porządkowa) - Liczba masowa A

- Masa i energia wiązania - Promień jądra

- Rodzaj przemiany

- Okres połowicznego rozpadu - Stała rozpadu

(4)

Mp = 1.0072776 j.m.a MN = 1.0086654 j.m.a Me = 1/1849 Mp

Masa jadra atomowego – jednostki energii E = m.c2

E(J) = m0.c2 = m0.(3.108) kg(m/s)2 = m. 9.1016 kg(m/s)2 1 eV =1.6.10-19 J

E(eV) = m0(kg) . 5.62 . 1035 eV

(5)

Izotopy

Atomy mające tą samą liczbę protonów ale różniące się liczbą neutronów

(6)

Izotopy

węgiel 14C jest cięższy od węgla 12C, węgiel 14C jest izotopem radioaktywnym

(7)

Izobary

Atomy różnych pierwiastków , których jądra zawierają tyle samo nukleonów Taka sama liczba masowa A

17 N

7 17 8 O 17 9 F

(8)

Promień i gęstość

Na podstawie badań

R = r

0

A

1/3

r0= (1.2 – 1.5).10-15m = (1.2 – 1.5) f fenomenologiczny zasięg sił jądrowych

r

j

= M

j

V

j

A

.

m

n

4/3

.

π

.

R

3

= = 1.4

.

10

17

kg/m

3

(9)

Energia wiązania i defekt masy

Z . m p + N . m n > M j (Z,N)

Dm = (Z

.

m

p

+ N

.

m

n

) – M

j

(Z,N)

Podczas łączenia się Z protonów i N neutronów w jądro, część masy zostaje zamieniona na energię

E w = (Z . m p + N . m n ) . c 2 – M j (Z,N) . c 2

Ew < 0 jądro jest niestabilne (ulega rozpadowi)

(10)

Średnia energia wiązania

http://zasoby1.open.agh.edu.pl

Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon w jądrze w zależności od liczby masowej A

e =

A E w

Ewmax dla A~ 60 - 80

(11)

Siły jądrowe

Siły elektrostatyczne między protonami (prawo Coulomba)

Trwały układ nukleonów

(12)

Ścieżka stabilności

(13)

Zasięg sił jądrowych

Zasięg

Siły jądrowe są przyciągające ~ 1-2 fm (1f =1015m) rząd odległości między nukleonami w jądrze

Potencjał Yukawy V ~ exp (-a.r)/r

(14)

Właściwość wysycenia

Spinowa zależność sił jądrowych

Niezależność ładunkowa sił jądrowych

Oddziaływanie siłami jądrowymi zanika na inne cząstki (wysyca się), gdy nukleon jest całkowicie otoczony innymi nukleonami.

Siły nie zależą od tego, czy jeden czy obydwa nukleony

mają ładunek elektryczny – proton i neutron są jednakowymi cząstkami

(15)

Reakcje jądrowe

Reakcja jądrowa – przemiany jądrowe zachodzące spontanicznie lub wywołane sztucznie przez bombardowanie jąder za pomocą cząstek

Prawa, które muszą być spełnione podczas reakcji

- Prawo zachowania ładunku

- Prawo zachowania liczby nukleonów - Prawo zachowania pędu

- Prawo zachowania energii i masy

(16)

Pierwsza reakcja

Rutherford

http://open.agh.edu.pl

Pociski : jądra ciężkie

Duża energia kinetyczna potrzebna do pokonania odpychanie kulombowskie Duża liczba reakcji

(17)

Bilans mas i energii

Bilans mas

mx + MX

my + MY

mx , MX – masy spoczynkowe substratów reakcji my , MY – masy spoczynkowe produktów reakcji Tx, TX, Ty, TY – energie kinetyczne

Bilans energii

mxc2 + Tx + MXc2

+

TX

myc2 + Ty + MYc2

+

TY

Energia reakcji

mxc2 + Tx + MXc2

+

TX

myc2 + Ty + MYc2

+

TY

(18)

Energia reakcji

jądro- tarcza znajduje się w spoczynku TX = 0

mxc2 + MXc2

+

TX

myc2 + Ty + MYc2

+

TY

(mx + MX)c2 - (my + MY)c2 =

(

Ty + TY) - Tx

(mx + MX) – masa wejściowa (my + MY) – masa wyjściowa

(Ty + TY) – energia kinetyczna produktu Tx – energia kinetyczna pocisnku

Q = (T

y

+ T

Y

) – T

x

= Dmc

2

(mx + MX) > (my + MY) to (Ty + TY) > Tx Q > 0 reakcje egzoenergetyczne

(mx + MX) < (my + MY) to (Ty + TY) < Tx Q < 0 reakcje endoenergetyczne

(19)

Przykład

(20)

Rozpady promieniotwórcze

Rozpadem promieniotwórczym nazywa się zjawisko przemian zachodzących w jądrze, w wyniku których zostają emitowane cząstki na zewnątrz jadra.

Jądra atomowe niektórych izotopów ulegają przemianom w jądra innych izotopów lub pierwiastków.

Proces, który odbywa się samoistnie nazywany jest promieniotwórczością naturalną.

Proces, który zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych nazywany jest promieniotwórczością sztuczną

Promieniotwórczości towarzyszy emisja cząstek oraz kwantów promieniowania elektromagnetycznego.

Basquerel (1896) – odkrycie promieniotwórczości

(21)

Emisja cząstek a

Rozpad a

Emisja cząstki a (jądro helu)

Promieniowanie biologicznie szkodliwe ,mała przenikliwość (kilka cm ) Jądro atomowe przekształca się w jądro innego pierwiastka , emitując cząstkę a (jądro helu)

226

Ra

88 4

He

Rn

2 222

86

+

(22)

Emisja cząstek b

Rozpad b- Rozpad b-

Przemiana b zachodzi gdy nie ma równowagi między ilością protonów i neutronów w jądrze

gdy liczba neutronów jest większa niż liczba protonów, neutron → proton n→ p + e-- + - ne , emisja elektronu b-.

40

K

19 40 20

Ca +

-1 0

e +

-

n

e

51

Mn

25 51 24

Ca +

0

e + n

e

gdy liczba neutronów jest mniejsza niż liczba protonów,

n→ p + e+ + ne , emisja pozytonu b+ oraz neutrin elektronowych - ne

Promieniowanie biologicznie szkodliwe, głębokość penetracji ok. 1m

(23)

Emisja cząstek g

Jądro macierzyste emituje foton (emisja promieniowania elektromagnetycznego) Liczba atomowa oraz liczba masowa nie zmieniają się.

Emisja promieniowania g może towarzyszyć zarówno przemianie a, jak i b

226

Ra

88 222 86

Rn +

4

He + g

2

0

0 24 11

Na

24 12

Mg +

0

e + g

-1

0 0

Biologicznie wyjątkowo szkodliwe

(24)

Papier Aluminium Ołów

(25)

Rozpad spontaniczny

A

X

Z AZ1

Y

1 A2

Y

2

1

+ +

n

Z2 0

2 1

A1 +A2 = A+ 2 oraz Z1 + Z2 = Z

Ciężkie jądro atomowe ulega spontanicznemu podziałowi na dwie (trzy) części

(26)

Prawo przesunięć promieniotórczych Soddy’ego i Fajansa

Opisuje ono w jaki sposób określony typ przemiany izotopu promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu

Y X

AZ

A Z

4 2 --

23892

U

23490

Th

Y X

Z A

A

Z

1

Rozpad β- : powstaje nuklid izobaryczny o takiej samej liczbie masowej i o liczbie atomowej większej o jeden (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w prawo)

Bi Pb

21283

212

82

Rozpad β+ powstaje nuklid izobaryczny czyli jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o jeden oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w lewo)

Y X

Z A

A

Z

-1

N

13

C

6 13

7

Przemiana α: powstaje izotop o liczbie masowej mniejszej o cztery i liczbie atomowej mniejszej o dwa (przesunięcie w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo)

(27)

Prawo rozpadu promieniotwórczego

Akt rozpadu promieniotwórczego jąder pierwiastków radioaktywnych jest zjawiskiem indywidualnym i jest procesem statystycznym (nie umiemy dokładnie przewidzieć, kiedy dany atom ulegnie rozpadowi promieniotwórczemu). W wyniku rozpadu malej liczba atomów pierwiastka macierzystego rośnie zaś liczba atomów pierwiastka pochodnego.

W t0 liczba atomów N0, po t → N. dN liczba atomów rozpadająca się w przedziale czasu dt

- dN = l.N.dt ( „-” ubytek atomów) ; l – stała rozpadu

N dt

dN = - l  dN N = -l dt ln N = - l t C

0

0

ln

0 N N C N

t =  =  =

e

t

N

N =

0 -

l

Liczba rozpadających się jąder promieniotwórczych maleje w czasie wykładniczo

(28)

Czas połowicznego zaniku

Czas połowicznego zaniku (okres półtrwania, półrozpadu)

Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania (T1/2), czyli przedział czasu, w którym pierwotna liczba jąder No maleje do połowy, tj. gdy: N = No/2.

2 1 0

0

ln 2

2

1

1 2

T e

N

N =

T

 = 

-l

l

2 l

= ln

T  = l 1

Średni czas życia jąder atomowych

Dla m = 20 g radonu o T1/2 = 4 dni

...

25 , 1 5

, 2 5

10 20

4 4

4 4

g g

g g

g

dni dni

dni

dni

  

(29)

Dla m = 20 g radonu o T1/2 = 4 dni

...

25 , 1 5

, 2 5

10 20

4 4

4 4

g g

g g

g

dni dni

dni

dni

  

Okres połowicznego rozpadu: 10-7 s ÷1011 lat Do dyspozycji czas 0 ÷

e

t

N

N =

0 -

l

(30)

Rodziny promieniotwórcze

Większość pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie jest ze sobą powiązana „genetycznie” i wchodzi w skład trzech rodzin promieniotwórczych tzw. szeregów promieniotwórcze (łańcuchy promieniotwórcze).

Pierwiastek stojący na czele rodziny jest najdłużej żyjącym pierwiastkiem Każda rodzina kończy się trwałym izotopem, który dalej się nie rozpada

(31)

Rodzina torowa

zaczyna się promieniotwórczym izotopem torem , w wyniku przemiany a przekształca się w promieniotwórczy rad , rad ulega przemianie b dając itd. rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu

232Th

90 228Ra

88 22889Ac

208Pb

82

Czas połowicznego rozpadu toru T1/2 =1.39109lat

http://www.unipress.waw.pl

(32)

Rodzina uranowa

zaczyna się promieniotwórczym izotopem uranu , rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu

Czas połowicznego rozpadu uranu T1/2 =4.51109lat

238U

92 206Pb

82

http://www.unipress.waw.pl

(33)

W domu spokojnej starości dla ATOMÓW !!!

http://www.webelements.com/uranium/

(34)

Rodzina aktynowo- uranowa

zaczyna się promieniotwórczym izotopem uranu , rodzinę rozpadów kończy trwały izotop ołowiu

Czas połowicznego rozpadu uranu T1/2 =7.15109lat

235U

92 206Pb

82

(35)

Rodzina neptunowa

zaczyna się promieniotwórczym izotopem , rodzinę rozpadów kończy trwały izotop bizmutu 23793Np

Czas połowicznego rozpadu Np T1/2 =2.20106lat

(36)

114 nuklidów promieniotwórczych

(37)

A zaczęło się od…..

1911r E. Rutherford – odkrycie jądra atomowego 1932 r James Chadwick – odkrycie neutronu

Neutron nie posiada ładunku elektrycznego, jest więc stanie pokonać dodatni ładunek protonów i łatwością wniknąć w jądro

1934 r Irena i Fryderyk Curie-Joliot, odkrycie sztucznej promieniotwórczości

min) 25

. 3 (

1/2

0 1

| 30 14 30

15

30 15 27

13 4

2

=

T

Si P

n P Al

n

b

a

(38)

Reakcja

Q n

Kr Ba

U U

n

235

236 *

141

92

 3 

Q ≈200 MeV

1g U-235 - 1MW . 24h

Energia jądrowa i promieniotwórczość", A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa

1938 Otto Hahn i Fritz Strassman

1939 r Otto Frisch i Liza Meitner praca/ teoretyczne wytłumaczenie

(39)

- nie koniecznie krypton i bar, może powstać ok. 170 różnych jader - może być 2,3 lub więcej produktów rozszczepienia

- w stanie końcowym może być 2 lub 3 neutrony - nie każdy neutron w wyniku oddziaływania z uranem musi je rozczepić.

Przebieg reakcji -

prawdopodobieństwo

Energia jądrowa i promieniotwórczość", A. Czerwiński, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa

(40)

Neutrony i jadro atomu

- rozpraszanie elastyczne (neutron odbija się od jadra uranu)

- rozpraszanie nieelastyczne (neutron uderza w jądro i zostaje pochłonięty, jadro → stan wzbudzony → stan podstawowy + neutron* + g

-wychwyt radiacyjny ( neutron pochłonięty przez jadro, tworzy się nowy izotop jądro emituje g)

- rozszczepienie jadra

(41)

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia

Energia neutronów (powstałych z rozszczepienia) 0.05-17 MeV.

Średnia wartość energii U-235 to 2.0±0.1 Neutron za szybki

zwolnić Prędkość termiczna

Neutrony termiczne wywołują rozszczepianie jąder o nieparzystej liczbie neutronów

(42)

U-235 U-238

(43)

U-235 i U-238

U-235 duży przekrój czynny

(prawdopodobieństwo rozszczepienia 85%, wychwytu przez jadro 15%) U-238 mały przekrój czynny

24 pokolenie – 5 000 000 kWh Czas 0.000001s = 1ms

93 % w trzech ostatnich pokoleniach (0.009ms)

(44)

Kontrolowana i niekontrolowana reakcja

1.niekontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia - broń o ogromnej sile rażenia.

I –sza na świecie bomba atomowa(Stany Zjednoczone 16 lipca 1945 r godz.5:29:45

2. kontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia –wydajne źródła energii.

Urządzenie realizujące kontrolowana reakcję - reaktory jądrowe.

1. U-235,nawydajniej ulega rozszczepieniu pod wpływem neutronów termicznych, a w reakcji rozczepienia powstają neutrony prędkie

2. Naturalny uran zawiera 0.7% izotopu 235 i 99.3% izotopu 238

(45)

Problem i rozwiązanie

Moderatory. Aby coś spowolnić trzeba mu zabrać energię. Jak: przez zderzenia

Masa obiektu w który uderzamy ≈ masa obiektu który chcemy spowolnić Mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów

Neutrony natychmiastowymi Neutrony opóźnione

(46)

Reaktory jądrowe - klasyfikacja

Przeznaczenie: energetyczne, ciepłownicze, badawcze, napędowe, szkoleniowe, specjalne, powielające

Energia neutronów: neutrony termiczne ~ 0.1 eV prędkie ~ 1 MeV epitermiczne ~

Rodzaje reaktorów:

termiczne (większość rozszczepień zachodzi w wyniku pochłonięcia przez jadra U-235 neutronów o energiach termicznych)

prędkie (powielające) nie ma neutronów termicznych

Rodzaje paliwa: izotopy rozszczepialne (U-235 i U-238) lub plutonu (Pu-239) reaktory termiczne – uran (lub pluton jako paliwo mieszane) reaktory prędkie – pluton

(47)

Stopień wzbogacenia

Reaktory pracujące na:

uran naturalny (reaktory gazowe)

uran niskowzbogacony (2-6% U-235) reaktory energetyczne,lekkowodne uran średniowzbogacony (reaktory badawcze)

uran wysokowzbogacony (90% U-235), reaktory energetyczne

Postać chemiczna:

uran metaliczny (reaktory gazowe, niskotemperaturowe, badawcze) dwutlenek uranu (UO2, reaktory wodne energetyczne)

węglik uranu (UC, wysokotemperaturowe reaktory)

Konstrukcja prętów paliwowych:

kształt: pręty, cylindry, pastylki, rurki, płytki, kulki

Paliwo zamknięte w koszulkach – stop cyrkonu, stali nierdzewnej, magnezu

(48)

Konstrukcja reaktorów

Reaktory zbiornikowe (PWR, BWR) Reaktory kanałowe (CANDU, RBMK)

Okresowa wymiana paliwa Ciągła wymiana paliwa

(w celu wymiany paliwa reaktor Zostaje wyłączony i otwierany jest Zawierający pręty)

Reaktory jądrowe – typy i charakterystyka, Z.Cyliński, PW

(49)

Typ moderatora

Reaktory „lekkowodne” (reaktory energetyczne) woda spełnia rolę moderatora neutronów oraz chłodziwa

W „ciężkowodnych” reaktorach moderatorem jest ciężka woda (D2O) Pozostałe – moderatorem jest grafit lub beryl

Chłodziwo – woda, ciężka woda,CO2, He, ciekły sód….

Jeżeli ciekłe chłodziwo doprowadzane jest do wrzenia (H2O, D2O) wówczas reaktory nazywane są wrzącymi np. BWR

(50)

Podział reaktorów

(51)

Pręty paliwowe

do wytworzenia tej samej ilości energii, jaką otrzymamy ze spalenia 1 kg uranu potrzeba 58 ton oleju opałowego lub 84 tony węgla.

(52)
(53)

Transport

(54)

Odpady radioaktywne

Typy odpadów promieniotwórczych: materiały o znikomej radioaktywności oraz substancje o aktywności średniej lub dużej.

I . Opady rozcieńczane są w środowisku naturalnym (gaz, wody morskie lub śródlądowe.)

Rozcieńczenie musi oczywiście być na tyle skuteczne, by końcowa promieniotwórczość roztworu nie była wyższa od stężenia dopuszczalnego.

II. Substancje mocno promieniujące należy odizolować od środowiska. Najczęściej są obkładane kilkoma warstwami nieprzepuszczającej powłoki i dodatkowo jeszcze szczelnie pakowane. Można również zmniejszać rozmiary ciał radioaktywnych przez ściskanie, sprasowywanie, palenie itp. Po takim spreparowaniu gotowe pakiety zabezpieczonych materiałów umieszcza się pod powierzchnią ziemi, starych kopalniach, sztolniach, lub na dnie oceanicznym. Radioaktywność takich opadów jest oczywiście malejąca funkcją czasu.

(55)

Elektrownie

Cytaty

Powiązane dokumenty

Lewa strona tej równości jest iloczynem kolejnych liczb całkowitych, więc jest podzielna przez 3.. Natomiast prawa

[r]

promieniowanie stawało się coraz bardziej długofalowe – jego temperatura spadała. •Obecnie

Energia wiązania to energia uwolniona przy budowie jadra ze składników – nukleonów.. Defekt masy podawany w tablicach jest

Szereg aktywności metali tworzą metale i wodór ułożone według ich podatności na utlenianie, czyli pobrano z www.sqlmedia.pl.. według zdolności tworzenia jonów

Energia potencjalna jądra na różnych etapach reakcji rozszcze- pienia według przewidywań modelu Bohra i Wheelera. Na rysunku 44.3 przedsta- wiono wykres energii potencjalnej jądra

Comparing to the normal Ra-226 concentration in river water in Holland and Germany, which is below 0.008 kBq/m3, most of Upper Silesian rivers where waters from coal mines

Po stażu przeszedłem na Studium Doktoranckie przy Instytucie Badań Jądrowych i w roku 1972 obroniłem pracę doktorską o momentach bezwładności jąder atomowych;