ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΕΜΦΕ-ΕΜΠ 7 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Ν. ΓΑΖΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΜΠ ΑΘΗΝΑ _Eisagogi.doc 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ατομική θεωρία είναι ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της Φυσικής στον 19 ο αιώνα και ουσιαστικά αποτελεί ένα ισχυρό μικροσκοπικό εργαλείο/πρότυπο για τη μελέτη της δομής της ύλης. Στις αρχές του 20 ου αιώνα έρχονται οι ανακαλύψεις των πυρηνικών διασπάσεων και των αντιλήψεων των ενεργειακών quanta, όπου προκύπτει ένα πιο χρήσιμο ατομικό πρότυπο. Φυσική συνέπεια των ανωτέρω είναι η γέννηση της ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ως υπο-ατομική/ενδο-ατομική φυσική, έχοντας υπόψη το εξής χαρακτηριστικό: Σε πολλά πυρηνικά φαινόμενα το ηλεκτρονικό νέφος «αγνοείται» αλλά είναι σχεδόν πάντοτε παρόν και παίζει σημαντικό ρόλο στην ερμηνεία των πυρηνικών ιδιοτήτων. ΦΥΣΙΚΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ Το 1896 ο Henri Becquerel μελετούσε την φωτεινότηττα των αλάτων Ουρανίου όταν διεγείρονται με το συνηθισμένο φως. Παρατήρησε ότι οι ακτινοβολίες των αλάτων δημιουργούσαν σκιές αδιαφανών αντικειμένων πάνω σε φωτογραφικές πλάκες, όπως ακριβώς είχε παρατηρηθεί στις τότε πρόσφατα ανακαλυφθείσες ακτίνες-χ. Η σημαντική διαφορά με τις ακτίνες-χ, ήταν ότι οι σκιές της ακτινοβολίας του Ουρανίου, παρέμεναν και μετά την απομάκρυνση του φωτός, πράγμα που οδήγησε στην αντίληψη της αυθόρμητης εκπομπής ή ακτινοβολίας δηλ. της ραδιενέργειας, σαν αποκλειστική ιδιότητα του ατόμου του Ουρανίου. Τώρα ξέρουμε ότι οι ακτινοβολίες των πειραμάτων αυτών είναι ταχέα ηλεκτρόνια από την εκπομπή-β των θυγατρικών προϊόντων του πυρήνα 238 U. U Th Pa U 238 a 234 β 234 β Οι νέες ακτινοβολίες εκτός των άλλων μπορούσαν να αποφορτίσουν ένα ηλεκτρισμένο σώμα, πράγμα που επέτρεπε τη χρήση του ρεύματος ενός θαλάμου 0_Eisagogi.doc 2

3 ιονισμού για τον ποσοτικό προσδιορισμό της έντασης της ακτινοβολίας ή της ενεργότητας. Οι Pierre και Marie Curie χρησιμοποιώντας τέτοιες ανιχνευτικές ηλεκτροδιατάξεις σε συνδυασμό με άλλες χημικές και φυσικές διεργασίες πέτυχαν να διαχωρίσουν πρώτα Πολώνιο και μετα Ράδιο από ορυκτό Ουρανίου. Συγκεκριμένα απομόνωσαν 110 mg Ραδίου από 10 3 kg ορυκτού Ουρανίου. Η εργασία του Becquerel προσήλκυσε το ενδιαφέρον του Ernest Rutherford που εργαζόταν στο Cambridge υπό την καθοδήγηση του J.J. Thomson στην αγωγιμότητα των αερίων. Μετά από μερικά πειράματα με «ακτίνες» Ουρανίου, χρησιμοποίησε ακτινοβολίες από Θόριο συνεχίζοντας τις μελέτες του στο McGill University ( ) με τον Soddy και άλλους συνεργάτες. Τα πειράματα των Curie και Rutherford έδειξαν ότι οι ραδιενεργές ακτινοβολίες περιέχουν «συστατικά» με διαφορετική ικανότητα διείσδυσης στην ύλη. Περιέγραψαν αυτές τις ακτινοβολίες ως ακολούθως: 1. Ακτίνες-α : θετικό φορτίο, μικρή ισχύς διαπερατότητας της ύλης (0,02 mm Μολύβδου). Πειράματα των Rutherford και Royds,οπου βρέθηκε ότι αέριο Ήλιο σε σωλήνα όπου είχε βομβαρδιστεί με ακτίνες-α απέδειξαν ότι τα σωματίδια-α έιναι πυρήνες Ηλίου (He) με φορτίο +2e και μάζα περίπου 4m p όπου m p είναι η μάζα του πυρήνα του ατόμου του Υδρογόνου, δηλ. του πρωτονίου. 2. Ακτίνες-β : έχουν ισχύ διαπερατότητας περίπου 1,00 mm Μολύβδου. Η μαγνητική απόκλιση σε σχετικά πειράματα απέδειξε ότι είναι σωματίδια με αρνητικό φορτίο. Μετρήθηκε το ειδικό φορτίο e/m και βρέθηκε ίσο με αυτό του ηλεκτρονίου, άρα ιστορικά το β-σωματίδιο είναι ηλεκτρόνιο με φορτίο e και μάζα m e. Για πολλά χρόνια δεν είχε εντελώς ξεκαθαριστεί τα σωματίδιαβ με τα ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής (internal conversion electrons) που προκύπτουν από ηλεκτρονική δομή των ατομικών συστημάτων. Το 1932 που ανακαλύφθηκε πειραματικά το ποζιτρόνιο με φορτίο + e και μάζα m e. σαν αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου με το φαινόμενο της Δίδυμης Γέννεσης. Το 1934 παρήχθησαν τεχνητά ραδιενεργά στοιχεία με εκπομπή ποζιτρονίου. 3. Ακτίνες-γ : εξασθενίζουν (και δεν απορροφούνται) εκθετικά από την ύλη και μπορούν να διαπεράσουν αρκετά mm του Μολύβδου. Η ακτινοβολία αυτή δεν κάμπτεται από μαγνητικό πεδίο και αλληλεπιδρά με την ύλη όπως ακριβώς οι ακτίνες-χ. Οι ακτίνες-γ είναι ηλεκτρομαγνητικές και δεν διαχωρίζονταν πάντοτε από τις αντίστοιχες ακτίνες-χ που προέρχοταν από χαρακτηριστικές ακτίνες-χ των ατομικών συστημάτων σαν αποτέλεσμα της εσωτερικής μετατροπής ή διαδιακασίας της σύλληψης ηλεκτρονίου. 0_Eisagogi.doc 3

4 Η ενεργότητα Α, όπως έχει μετρηθεί με το ρεύμα θαλάμου ιονισμού, πρέπει να είναι ανάλογη του ρυθμού ελάττωσης ή αποδιέγερσης του αριθμού Ν t των ατόμων που έχουμε στο δείγμα την χρονική στιγμή t, λαμβάνοντας υπόψη μια διαδικασία από άτομο σε άτομο, οπότε ο ρυθμός ελάττωσης ορίζεται : A dn t dt 1 = atoms s (0.1) Αν θεωρήσουμε ότι η διασπάσεις είναι πραγματικά εκθετικές : N = N exp( λt) (0.2) t o Όπου λ είναι η σταθερά διάσπασης και Ν ο ο αρχικός αριθμός των ατόμων, οπότε : A = λn t (0.3) Ο Μέσος Χρόνος (τ) των ραδιενεργών ατόμων ορίζεται : τ 0 N o = = 0 N o tdn dn t t 1 λ (0.4) Και ο Χρόνος ημίσειας τιμής της περιόδου ή Χρόνος Ημιζωής t ½ ορίζεται : N 2 0 = ln N0exp( λt1 ) t = τ 2 2 λ = λ = (0.5) Οι Rutherford και Soddy γνώριζαν από τα ευρήματα των Curie ότι η ραδιενέργεια συνδεόταν άμεσα με την εμφάνιση νέων χημικών στοιχείων στο ραδιενεργό δείγμα. Με εντατική μελέτη σε δείγματα του Θορίου, πρότεινα το 1903 την θεωρία της μεταστοιχείωσης της ραδιενέργειας. Σύμφωνα με αυτή ένα ραδιενεργό στοιχείο διασπάται αυθόρμητα σε σχέση με τον νόμο (1.2) με την εκπομπή α- ή β-σωματιδίου με τον σχηματισμό νέου χημικού ατόμου. Δέκα χρόνια αργότερα με τη θεώρηση του ατομικού αριθμού Ζ σαν δείκτη κατάταξης του περιοδικού πίνακα των στοιχείων, οι Sossy, Russel και Fajans διατύπωσαν τους ακόλουθους κανόνες μετατόπισης : 0_Eisagogi.doc 4

5 (α) Η απώλεια ενός σωματιδίου-α, κατά την διάρκεια μιας αυθόρμητης διάσπασης, μετατοπίζει ένα στοιχείο κατά δύο θέσεις αριστερά του περιοδικού πίνακα και ελαττώνει τη μάζα του κατά τέσσερις μονάδες μάζας (ΔΖ = -2 και ΔΑ = -4). (β) Η απώλεια ενός σωματιδίου-β, κατά την διάρκεια μιας αυθόρμητης διάσπασης, μετατοπίζει ένα στοιχείο κατά μία θέση δεξιά του περιοδικού πίνακα και δεν επειρεάζει τη μάζα του (ΔΖ = +1 και ΔΑ = 0). Η εφαρμογή των κανόνων μετατόπισης γαι τον πυρήνα 232 Th , φαίνεται στο σχήμα 1 που ακολουθεί: Σχήμα 1: Διάγραμμα ισοτόπων Θορίου ( Th 142, Th 138) και Πολωνίου ( Po 132, Po 128 ) Στο διάγραμμα παρατηρούνται δύο ισότοπα του Θορίου ( 232 Th , 228 Th ) και δύο του Πολωνίου ( 216 Po , 212 Po ), που σημαίνει ίδιος ατομικός αριθμός, ίδιες χημικές ιδιότητες αλλά διαφορετική μάζα. Την ύπαρξη των ισοτόπων απέδειξαν πειραματικά με ηλεκτρομαγνητική απόκλιση οι Thomson 1913 και Aston _Eisagogi.doc 5

6 Η σειρά των αλλαγών που φαίνονται στο σχήμα 1, είναι το έναυσμα των ραδιενεργών σειρών. Αυτές οι σειρές βρέθηκαν στη φύση, προέρχονται από πυρήνες με μεγάλο χρόνο ημιζωής: Σειρά Θορίου μαζικός αριθμός 4ν Σειρά Ουρανίου-Ραδίου μαζικός αριθμός 4ν+2 Σειρά Ουρανίου-Ακτινίου μαζικός αριθμός 4ν+3 Όλες οι σειρές οδηγούν με εκπομπή α και β σε σταθερό πυρήνα του ισοτόπου του Μολύβδου. Υπάρχει και μία ακόμη σειρά που έχει παρασκευαστεί τεχνητά: Σειρά Ποσειδωνίου μαζικός αριθμός 4ν+1 που οδηγεί μετά από διασπάσεις στο σταθερό ισότοπο του Βισμουθίου. Σε όλες τις ανωτέρω σειρές των διασπάσεων, εκπέμπεται ταυτόχρονα και ακτινοβολία-γ, η προέλευση της οποίας εξηγήθηκε πλήρως με την κατανόηση της δομής του πυρήνα. Τα φαινόμενα της «κλασσικής» ραδιενέργειας αποτέλεσαν γενικά φαινόμενα της πυρηνικής φυσικής, που παρατηρήθηκαν κατά κόρον με τους τεχνητώς παραγόμενους πυρήνες στα εργαστήρια. Άμεση πρακτική εφαρμογή των φαινομένων αυτών είναι η εύερση ηλικίας των γεωλογικών στρωμάτων, αλλά πέραν των εφαρμογών τα φαινόμενα αυτά συνετέλεσαν στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μικρής εμβέλειας, εν σχέσει με τις αλληλεπιδράσεις του ηλεκτρομαγνητισμού και της βαρύτητας, προωθώντας τη μεθοδολογία εκείνη για την εκτενή μελέτη του ατομικού πυρήνα. 0_Eisagogi.doc 6