NUKLEARNA FIZIKA. Osnove fizike 4

Transcript

1 NUKLEARNA FIZIKA Osnove fizike 4

2 Atom= jezgra + elektroni jezgra = protoni + neutroni (nukleoni)

3 POVIJEST NUKLEARNE FIZIKE Becquerel otkriće radioaktivnosti Pierre & Marie Curie separacija Ra Tri vrste radioaktivnosti Rutherford jezgra je mali centralni dio atoma Chadwick, Curie, Joliot otkriće neutrona

4 ČIME SE BAVI NUKLEARNA FIZIKA? Preklapanje s drugim granama znanosti Interes nuklearne fizike Nuklearna sila Nuklearna struktura Nuklearne reakcije

5 NUKLEARNA SILA Protoni Kulonska sila odbojna Gravitacijska sila privlačna Nuklearna sila Privlačna Kratkog i konačnog dosega Jaka Yukawa nuklearna sila kao posljedica izmjene mezona

6 NUKLEARNA STRUKTURA m p = 1, kg m n = 1, kg m n, m p 2000 m e m u = u = 1, kg = Atomska jedinica mase A Z X X oznaka za kemijski element A maseni broj (zbroj protona i neutrona) Z redni broj (broj protona u jezgri)

7 NUKLEARNA STRUKTURA Izotopi jednaki Z Izotoni jednaki N Izobari jednaki A Dolina stabilnosti

8 ZADATAK 75 Odredite približnu gustoću atomske jezgre uz pomoć relacije za polumjer jezgre r=r 0 A 1/3, gdje je A atomski broj, a r 0 =1,2 fm polumjer jednog nukleona.

9 NUKLEARNA STRUKTURA MODELI ZEZGRI: Kolektivni modeli: Model kapljice Rotacijski model Vibracijski model Modeli nezavisnih čestica: Model ljusaka Nilsonov model

10 NUKLEARNA STRUKTURA MODEL LJUSAKA Magični brojevi: Protoni: 2, 8, 20, 40, 82 Neutroni: 2, 8, 20, 50, 82, 126

11 NUKLEARNA STRUKTURA MODEL KAPLJICE Carl von Weisszaker (1935. g.) Semiempirijska formula mase jezgri energija vezanja: E B (Z, N)=α 1 A-α 2 A 2/3 α 3 Z(Z-1)A -1/3 -α 4 (N-Z) 2 A -1 +Δ Volumni parametar energije Parametar sparivanja Kulonski parametar energije parametar simetrije Površinski parametar energjie E B (Z, N)={ZM H +NM n -M(Z,N)}c 2 E B /A 8 MeV

12 NUKLEARNA STRUKTURA VIBRACIJSKI MODEL U ravnoteži sferni oblik jezgre Pobuđeno stanje vibracije oko ravnotežnog stanja

13 NUKLEARNA STRUKTURA ROTACIJSKI MODEL Djelovanje nuklearne, kulonske, centrifugalne sile nesferični oblik jezgre

14 NUKLEARNE REAKCIJE Sudar upadnog projektila s jezgrom metom rezidualna jezgra + izlazne čestice Stara klasifikacija: Direktne reakcije Složene reakcije Klasifikacija reakcija: Elastično raspršenje Neelastično raspršenje Kvazielastično raspršenje Transmutacije Transfer čestice (pickup & stripping) apsorpcija bozona (foton, pion, kaon) apsorpcija fotona s emisijom nukleona radijativni uhvat apsorpcija fermiona; rezultira emisijom neutrina apsorpcija antičestica - jake interakcije produkcija bozona - ako protoni dovoljno velike energije pogode jezgru fragmentacija fuzija duboko neelastično raspršenje

15 RADIOAKTIVNOST Težnja jezgri k stabilnijim stanjima Jezgra roditelj Jezgre kćeri Nestabilna jezgra o Inducirani raspad o Spontani raspad

16 RADIOAKTIVNOST alfa beta A Z X 4 2He + A-4 Z-2Y A Z X 0-1e - + A Z+1Y+ν gama A Z X 0 1e - + A Z-1Y+ ν A Z X* γ+ A ZX A Z X+ 0-1e A Z-1Y

17 ZADATAK U emitira α-česticu. Nova jezgra nasrala radioaktivnim raspadom naziva se X 1 i ona se dalje raspada emitirajući β-česticu. Nakon te emisije nastaje jezgra X 2. Odredite redne brojeve i atomske mase jezgara X 1 i X 2.

18 ZADATAK 77 Kolika je maksimalna energija elektrona emitiranog β-raspadom tricija? m 3H =3,01605u, m 3He =3,016030u

19 RADIOAKTIVNOST ZAKON RADIOAKTIVNOG RASPADA: N=N 0 e -λt N 0 = početni broj jezgri N = broj jezgri koje se još nisu raspale l = konstanta raspada Vrijeme poluraspada:t 1 / 2 ln 2 l Aktivnost uzorka: A 0 A e lt Ekvivalencija mase i energije: E=mc 2 Q-vrijednost reakcije = razlika energija mirovanja na početku i na kraju reakcije

20 RADIOAKTIVNOST Nuklearna karta

21 ZADATAK 78 Izračunajte defekt mase i pripadnu energiju vezanja za jezgru helijevog atoma. m( 4 He)=1,0026u m(p)=1,007825u m(n)=1,008665u

22 ZADATAK 79 Snop od 10 9 termalnih neutrona brzine 2200 m/s prolazi kroz vakuum put od 22 m prije nego što udari u metu. Koliko će se neutrona spontano raspasti na putu do mete ako je vrijeme poluraspada slobodnog neutrona 12 minuta?

23 ZADATAK 80 Kad su neutroni slobodne čestice, njihovo vrijeme poluraspada je 12,8 minuta. Odredite udaljenost za koji će snop neutrona energije 5 ev izgubiti polovinu neutrona.

24 ZADATAK 81 Radioaktivni element, čije je vrijeme poluraspada 100 dana, emitira β-čestice energije J. Β- čestice apsorbira uređaj koji pretvara njihovu kinetičku energiju u električnu s efikasnošću 5%. Koliku je količinu tvari tog elementa potrebno staviti u uređaj da bi generirana električna snaga bila 5W?

25 ZADATAK 82 Dok je organizam (biljka, životinja, čovjek) živ, specifična aktivnost radioaktivnog izotopa 14 C u njemu je stalno oko 250 Bq/kg. Kada organizam prestane živjeti, više ne uzima ugljik iz prirode, te se količina 14 C, zbog radioaktivnog raspada, s vremenom smanjuje. Odredite koliko je star drveni predmet čija je sadašnja specifična aktivnost 190 Bq/kg. Vrijeme poluraspada 14 C je 5570 godina.

26 ZADATAK 83 Točkasti izvor 137 Cs aktivnosti 74 MBq nalazi se u betonskom štitu. Koliki je tok gama zraka na površini štita, 19,6 cm daleko od izvora? Koeficijent atenuacije gama-zraka u betonu je 0,185 cm -1.

27 ZADATAK 84 Odredite starost uzorka drveta ako je poznato da je aktivnost jednog grama ugljikadobivenog izgaranjem tog uzorka 1, Bq. Pretpostavite da je omjer broja jezgara izotopa 12 C i 14 C u Zemljinoj atmosferi konstantan već tisućama godina i da iznosi Vrijeme poluraspada izotopa 14 C je 5568 godina.

28 ZADATAK 85 U reaktoru se konstantnom toku reaktora izloži neki izotop. Neutronskom aktivacijom proizvodi se konstantnom brzinom n atoma radioaktivnog izotopa u sekundi, čija je konstanta raspada λ. Treba odrediti ovisnost broja radioaktivnih atoma o vremenu ozračivanja neutronima. Zanemarite neutronsku aktivaciju radioaktivnog izotopa.

29 NUKLEARNA FISIJA * A1 A2 U n U Z X 1 ZY n Nuklearni reaktori (elektrane) - kontrolirano nuklearne bombe - nekontrolirano

30 ZADATAK 86 Kolika je masa 235 U koji se raspao fisijom, ako je fisijom te mase odlobođena energija 3, J? Prosječna energija po fisiji je 200 MeV.

31 NUKLEARNA FUZIJA H H He n H H H H

32 ZADATAK 87 Kolika se energija oslobađa fuzijom dviju jezgara deuterija u jezgru helija? (m d =2,014102u; m He =4,002603u)

33 ZADATAK 88 Da bi došlo do fuzije, potrebno je da jezgre svladaju odbojni kulonski potencijal i dođu međusobno u doseg nuklearnih sila. Ocijenite potrebnu temperaturu plazme deuterija dovoljnu da dođe do fuzije. Pretpostavite da je doseg nuklearnih sila m.

34 Fotoelektrični efekt Comptonovo raspršenje Produkcija parova INTERAKCIJA ELEKTROMAGNETSKOG ZRAČENJA S TVARI 1 2 h h Wi mevmax l l ' l 1 cos 2 mc e e e

35 ZADATAK 89 Elektrone pri fotoefektu na platini zaustavlja potencijal 0,8 V. Nađite valnu duljinu svjetlosti koja je uzrokovala fotoefekt. Izlazni rad za platinu je 5,3 ev.

36 INTERAKCIJA ELEKTROMAGNETSKOG ZRAČENJA S TVARI I I e x 0 Koeficijent apsorpcije Intenzitet prolaznog zračenja Intenzitet upadnog zračenja poludebljina d 1/ 2 ln 2

37 ZADATAK 90 Kolika je debljina olova koja intenzitet gamazračenja energije 0,66 MeV smanji 10 puta? Omjer koeficijenta atenuacije olova i gustoće olova za tu energiju je 0,1 cm 2 /g, a gustoća olova je kg/m 3. Koliki je srednji slobodni put tih fotona u olovu?