4.1. OSNOVNE SILE U PRIRODI

Transcript

1 68

2 4. NUKLERN FIIK Nuklearna fizika je dio fizike koji proučava jezgru aoma (nukleus). Pojam aomske jezgre uveo je E. Ruherford uvodeći planearni model aoma. Dvadeseo soljeće mogli bismo nazvai soljećem nuklearne fizike. Ispiivanja jezgre i podsrukure nukleona od kojih je sasavljena raju još i danas. Kako ispiai jezgru aoma? Kako objasnii šo se zbiva u aomskoj jezgri? To su pianja na koje pokušavaju dai odgovore isuće fizičara i kemičara. Fizičari danas nasoje pronaći zakone gibanja česica u jezgri aoma. O silama meñu nukleonima doznajemo puem pokusa. Tipični pokusi su mjerenje elekromagnenog zračenja koje izlazi iz jezgre (γ-zračenje) i analiza sudara meñu česicama u sve jačim akceleraorima i sudaračima česica. Današnje znanje o srukuri aoma prikazano je na slici 4.1. Kao šo se vidi na slici do sada su pronañene čeiri različie podsrukure maerije (aom jezgra i elekron nukleon kvark). Jesmo li sigli do kraja? Ne zna se! m 1 1 m 1 14 m 1 15 m slika m 4.1. OSNOVNE SILE U PRIRODI Danas su poznae čeiri osnovne sile koje odreñuju posojanje maerije: 1. Graviacijska sila: Djeluje meñu svim česicama. Česice se meñusobno privlače silom proporcionalnom njihovim masama. Sila se smanjuje s kvadraima udaljenosi. Njezin doseg (djelovanje) je do beskonačnosi. Njome opisujemo gibanje planea, zvijezda, galakika, pa ona odreñuje opće karakerisike svemira. Posrednik * (nosielj meñudjelovanja) e sile mogla bi bii česica bez mase - gravion koja još do danas nije eksperimenalno povrñena. 2. Elekromagnena sila: Djeluje meñu nabijenim česicama i proporcionalna je njihovu elekričnom naboju. Sila se smanjuje s kvadraima udaljenosi. Njezin doseg je do beskonačnosi. To je vezna sila aoma. Poziivno nabijena jezgra drži na okupu negaivno nabijene elekrone u gibanju - elekronski oblak. Pomoću e sile moguće je objasnii neke fenomene živoa na emlji. Posrednik (nosielj meñudjelovanja) e sile je česica bez mase - foon. 3. Slaba nuklearna sila: Djeluje meñu svim česicama osim foona i gluona. To su sile krakog dosega manjeg od 1 17 m. Odgovorna je za prijelaze u jezgri aoma popu bea-raspada; prijelaza neurona u proon i proona u neuron i dijelom za posojanje eških elemenaa na emlji i drugim dijelovima svemira. Posrednici (nosielji meñudjelovanja) e sile su česice W ± bozoni i bozon. 4. Jaka nuklearna sila: To je sila koja djeluje unuar aomske jezgre-izmeñu nukleona. Doseg e sile je akoñer mali reda veličine 1 15 m. Jaka sila se danas smara osakom još jače sile zv. "sile boja", koja djeluje na kvarkove unuar nukleona. Danas posoji emeljna eorija meñukvarkovskih djelovanja koju nazivamo kvanna kromodinamika (QCD). Prema oj eoriji najmanje česice su kvarkovi, dok su posrednici sile meñu njima gluoni. Meñuim, kvarkovi se ne pojavljuju kao slobodne česice već su zasužnjeni u česicama koje nazivamo hadroni. Jaka nuklearna sila odgovorna je za fuzione procese u zvijezdama, za eksplozije nuklearnih bombi i dobivanje nuklearne energije u elekranama. * O posrednicima (prenosieljima) sila bii će govora kod klasifikacije elemenarnih česica.

3 7 Ideja je ujedinjenje svih sila u jednu sveobuhvanu, ako da se pronañe jedinsveni oblik kod kojeg će osnovne sile bii samo posebni slučajevi ujedinjene sile. Teorija sveobuhvane sile (TOE- Theory of Everyhing), odnosno ideja unifikacije svih sila, davni je čovjekov san, koji danas posaje svarnos. Do sada smo se već susreali s ujedinjenem različiih područja fizike; npr. zemaljske i nebeske mehanike koju je izveo Newon, pa elekriciea i magneizma, zaim elekromagneizma s opikom. Nedavno, šezdeseih godina ujedinjena je slaba nuklearna sila s elekromagnenom.. Einsein je velik dio živoa posveio ujedinjenju opće eorije relaivnosi i elekromagneizma i nije uspio. Još jedan pokušaj ujedinjenja e dvije sile predložili su Kaluza i Klein, čije se ideje danas korise u TOE. Godine Engleski fizičar Paul Dirac ( ) ujedinjuje Maxwellovu eoriju, relaivnos i kvannu mehaniku u kvannu elekrodinamiku (QED). Eksperimenalno se danas raga za raspadom proona kako bi se našla povrda za spajanje jake nuklearne sile s ujedinjenom elekroslabom silom. Shema ujedinjenja sila (povijes fizikalnih eorija) prikazana je na slici 4.2. Kako će eći proces ujedinjenja ovisi o eksperimenalnim ureñajima, odnosno o mogućnosi dobivanja vrlo visokih energija. Vlade i sveučiliša bogaih zemalja roše velike količine novca na izgradnju sve jačih i jačih akceleraora. Želimo saznai od čega je načinjen naš svije. Da bi o saznali rebamo sve veće i brže akceleraore koji će ubrzai projekile i pokušai razorii mee u našem slučaju jezgre aoma, proone, neurone. Dakle, sve ono šo smo prije smarali da je elemenarno i da se ne može više podijelii - da je o zadnja opeka od koje je sazdana var. Izgradnja ih ureñaja posala je oliko skupa da su se države počele ujedinjavai u zajedničkim projekima izgradnje sve bržih akceleraora, koji dobivaju čak i svoja posebna imena. a gradnju akceleraora (koji još nije dovršen) u programu sraegijske obrambene inicijaive SD-a, porošeno oko 13 milijardi dolara *. Energija koja bi se mogla posići bila bi oko 1 4 GeV-a. a proces ujedinjenja graviacije i osalih sila bilo bi porebno proizvesi energiju reda veličine od 1 15 GeV do 1 19 GeV. slika 4.2. Newon, 168. Oersed, 182. Faraday, mpere, 183. Maxwell, Dirac, Einsein Kaluza, Klein, 192. Fermi, 193. Salam, Glashow Weinberg STNDRDNI MODEL Yukawa, Gell-Mann,.. Da doñe do ujedinjenja sila rebalo bi posići energije preko 1 18 GeV. Danas u laboraorijskim uvjeima nismo ni blizu akvim energijama. * Sudbina akceleraora je upina jer je vlada SD-a obusavila program zbog šednje. Šo je s energijom najvećeg zamišljenog konvencionalnog akceleraora koji bi se mogao sagradii na emlji? Ideja je o alijanskog fizičara Enricka Fermia ( ). Prsen akvog akceleraora imao bi opseg emlje, dakle 4 km i moglo bi se ubrzai česice do energije od 1 8 GeV.

4 71 SVEMIR VELIKI LBORTORIJ (STROČESTIČN FIIK) Pažljivim promaranjem svemira (grč. kosmos) i mjerenjima udaljenosi pokazano je da se svemir širi. To je na emelju Dopplerova učinka zaključio američki asronom Edwin Hubble ( ). bog oga zaključujemo da je svemir u prošlosi bio manji. Pod počekom svemira podrazumijevamo renuak kada nije posojao volumen već samo očka i kada su gusoća i emperaura bile beskonačno velike. Taj renuak usporeñujemo s velikom "eksplozijom ni iz čega". To je "veliki prasak" zv. Big Bang. Počeak priče o posanku svemira nam je nepozna. Ipak znademo kako su se svari odvijale neom nakon og nepoznaog počeka. Gusoća i emeperaura je još uvijek velika, ali ne i beskonačna, posepeno se smanjuje i može se na neki način izračunai. Okriveno je da cijeli svemir ispunjuje zaosalo zračenje kao posljedica velikog praska. Temperaura neom nakon velikog praska bila je vrlo visoka. Širenjem svemir se hladio, slično kao šo se hladi plin kad se raseže. račenje koje dopire do nas iz najudaljenijih dijelova svemira je zračenje iz prošlosi jer je porebno neko vrijeme da do nas dospije. Proučavanje og zračenja može nam u nekoj mjeri bii pokazaelj šo se zbivalo neom nakon velikog praska. Već smo rekli da u davnoj prošlosi posoji granica iza koje ne možemo prodrijei. Gdje je granica naših opažanja do koje možemo prodrijei? Naša makroskopska opažanja na vrlo malim udaljenosima više ne vrijede čim se približimo veličinama koje u sebi sadrže Planckovu konsanu h. Iso ako brzina svjelosi c je konačna veličina. bog oga uvodimo posebne konsane za mjerenje vremena, udaljenosi, gusoće, energije i njoj odgovarajuće emperaure, koje nam daju granicu naših opažanja. To je zv. Planckovo vrijeme ispod kojeg se gubi mogućnos odreñivanja slijeda dogañaja: 1 15 cm 1/ 2 hg 1 43 p = = s 5 c gdje su; h Planckova konsanaa (simbol kvanne mehanike), G konsana graviacije (simbol Newonovog općeg zakona graviacije) i c brzina svjelosi (simbol eorije relaivnosi). Danas ne znamo kvannomehaničku eoriju graviacije, pa se unaprijed odričemo vremenskog inervala manjeg od Planckovog vremena. Tom vremenu odgovaraju; najmanja udaljenos L p =(Gh/c 3 ) 1/ m, gusoća (c 5 /hg) 1 96 kgm 3, srednja energija česice (hc 5 /G) 1/ MeV i emperaura 1 23 K. Sadašnja emperaura svemira je u prosjeku 3 K. Proračun na osnovi e emperaure pokazuje da proeklo vrijeme od nasanka svemira do danas iznosi približno 1 1 godina, a emperaura jednu soinku sekunde nakon velikog praska iznosila je oko 1 11 K. Maerija koja se razlejela prilikom eksplozije nakon nekog vremena sasojala se od elemenarnih srukura vari koje danas proučava fizika elemenarnih česica. Pri hlañenju svemira od sanja popune simerije dolazi do pojava narušavanja simerije. Pri energiji od 1 18 GeV očekuje se kvanizacija graviacije. bog oga je svemir za nas veliki laboraorij gdje možemo proučavai dogañaje pri posojanju vrlo visokih energija. Slika 4.3. Sheldona Glashowa (1932.-), jednog od sudionika u ujedinjenju slabe nuklearne sile i elekromagnene sile, u kojoj zmija jede svoj vlasii rep pokazuje povezanos mikrofizike i makrofizike u proučavanju elemenarne srukure vari. 1 1 cm 1 2 cm 1 3 cm Bang slika cm 1 15 cm 1 1 cm 1 5 cm 1 cm 1 5 cm

5 RDIOKTIVNOST Razvoj nuklearne fizike počinje okrićem rengenskog zaračenja kojeg je 22. prosinca godine okrio njemački fizičar Wilhelm Konrad Röngen. Član Francuske akedemije znanosi Henri Becquerel ( ) bio je prisuan predavanju o rengenskom zračenju koje je održano, vrlo brzo nakon okrića, već 2. siječnja godine i zaineresirao se za Röngenova okrića. U nacionalnom prirodoslovnom muzeju, gdje je Becquerel radio kao profesor, posojala je velika zbirka minerala. On je odabrao krisal uranove soli i posavio ga na zamoanu foografsku ploču, pa sve izložio Sunčevu svjelu. Nakon razvijanja na ploči se pojavio obris krisala. Kad je pokus hio ponovii oblaci su prekrili nebo nad Parizom i Becquerel je bio razočaran. Meñuim, na njegovo iznenañenje, iako fooploča nije bila izložena Sunčevoj svjelosi na njoj je bio obris krisala uranove soli i o puno jasniji nego kad je ploča bila izložena svjelosi. Iznenanñenje je bilo veliko i Becquerel počinje inenzivna israživanja. Rezulai ih israživanja pokazali su: na foografske ploče djeluju jedino minerali koji sadrže uranove soli, učinak na ploču ne ovisi o vrsi minerala već samo o količini urana sadržanog u mineralu čisi uran pokazuje najjače djelovanje. Becquerel 23. ožujka podnosi izvješće Francuskoj akademiji znanosi da uran emiira neko zračenje koje djeluje na foografsku ploču i ionizira zrak. Tako je okriveno zračenje koje Marie Sklodowska-Curie * naziva radioakivnim zračenjem, po elemenu radiju koji pokazuje još jače izražen učinak j. 9 pua je akivniji od urana. Slika 4.4. pojavila se prvi pua 193. godine u dokorskoj diseraciji Marie Curie. Ona prikazuje ri ipa zraka (α, β i γ) koje emiiraju radioakive vari. U magnenom polju α i β zrake skreću dok na γ-zrake magnesko polje ne djeluje. Danas znamo da su α-zrake jezgre aoma helija, β-zrake elekroni, dok su γ-zrake fooni velikih energija, odnosno elekromagneno zračenje malih valnih duljina. slika 4.4. Marie Sklodowska-Curie Radioakivno zračenje je vrlo velike energije. Posoji razlika u prodiranju pojedinog zračenja kroz različie maerijale (sl.4.5.). Iz nekog radioakivnog izvora čiji je inernacionalno usvojen simbol prikazan na slici izlaze ri vrse radioakivnog zračenja. Već običan lis papira može zausavii αčesice, dok βčesice zausavlja aluminijska folija. Najprodornije je γzračenje i njega zausavlja ek debeli olovni ši. * Marie Sklodowska-Curie ( ), Poljakinja, kemičarka i fizičarka, radila je u Francuskoj. Godine 193. zajedno sa svojim mužem Pierrom i H. Becqerelom dobiva Nobelovu nagradu za fiziku. Godine dobiva i drugu Nobelovu nagradu za kemiju. Umrla je od leukemije vjerojano izazvane radioakivnim zračenjem.

6 U vrijeme okrića elemena radija Ernes Ruheford posao je profesor fizike u Monrealu i počeo je proučavai radioakivno zračenje zajedno s kemičarem Frederikom Soddyem ( ). Vrlo mladi, Ruherfordu je bilo 29 godina, a Soddyju 23 godine, dolaze do okrića senzacionalnog za o doba: radioakivnos nije niša drugo doli raspad aoma nekog elemena na nabijenu česicu (koju opažamo kao zračenje) i jedan aom drugog elemena. Tijekom narednih godina bilo je israženo mnošvo radioakivnih elemenaa i prikupljeno mnošvo podaaka o njima. Uočeno je: 1. Svi radioakivni elemeni se raspadaju ako da se njihova prisunos mijenja ijekom vremena. Neki se raspadaju brže, a neki sporije. Taj vremenski raspon je izvanredno velik i da bi "nesala" polovica mase počeno prisunog radioakivnog elemena, ponekad je porebno vrijeme od samo milijunninke sekunde, dok je ponekad za neki drugi elemen porebno vrijeme od milijarde godina. To vrijeme nesajanja je karakerisika svakog radioakivnog elemena, a naziva se vrijeme poluraspada i označava slovom T (sl. 4.6.). 2. U procesu raspada elemeni zrače α-česice (jezgre He), β-česice (elekrone) i γ- zračenje (foone vrlo malih valnih duljina j. velike energije). 3. Kada se neki elemen raspada mijenjaju se njegova kemijska svojsva. Energija koja se pri raspadu oslobaña milijun pua je veća od energije osloboñene kod kemijskih reakcija. Proces radioakivnog raspada ne može se usporii ili ubrzai. Toplina ili hladnoća, lak, kemijske reakcije, na njega ne uječu. Pianja na koja se nije znalo odgovorii bila su: Kakva je kemijska priroda radioakivnih elemenaa? Koji je uzrok njihovog raspada? Odakle ogromna količina energije koja se pri raspadu oslobaña? Razlog zbog kojeg se aomi raspadaju bii će objašnjen ek čevr soljeća kasnije usposavom nove eorije kvanne mehanike. KON RDIOKTIVNOG RSPD Saisička zakonios kojoj se podvrgavaju jezgre opisuje se konsanom raspada λ koja karakerizira svaki radioakivni elemen i ima sljedeća svojsva: 1. isa je za sve jezgre nekog radioakivnog elemena, 2. ne ovisi o sarosi jezgre, 3. ne ovisi o vanjskim ujecajima. Označimo slovom N broj prisunih neraspadnuih jezgri nekog elemena. Broj jezgara N koje će se raspasi u krakom vremenskom inervalu proporcionalan je broju prisunih jezgri N. To možemo maemaički formulirai: N = λ N Predznak minus je zbog oga šo se broj jezgara smanjuje ijekom vremena ( N < ). Gornja jednadžba se da riješii inegralnim računom ako uvedemo mali vremenski inerval. U počenom renuku = imamo N prisunih neraspadnuih jezgri, a nakon vremena broj neraspadnuih prisunih jezgri će bii manji i iznosi će: 73 N = N e λ Ovisnos broja neraspadnuih jezgri N o vremenu radioakivnog elemena prikazana je na slici 4.6. Uočie, ako se na ordinanu os nanese ln N dobije se linearna ovisnos. Česo je zgodnije umjeso konsane raspada λ uvesi vrijeme poluraspada T. Vrijeme poluraspada je onaj vremenski inervalu kojem polovica od ukupnog broja aoma doživi raspad. Kada je N = N /2 ada je = T.

7 74 Uvrsivši o u jednadžbu N = N e λ dobivamo vezu izmeñu λ i T: ln2,693 T = = λ λ Jednadžbu raspada ada možemo predočii i pomoću vremena poluraspada T: N N N = N 2 T N 1 N 3 N 7 N 9 N 1 N 3 N 7 N = = T = 2T = 3T = 4T T 2T 3T 4T 5T 6T 7T vrijeme slika 4.6. Graf ovisnosi ln N o vremenu je pravac. Recipročnu vrijednos konsane raspada τ = 1/λ nazivamo srednjim vremenom živoa nekog radioakivnog elemena koja se po vrijednosi ne razlikuje mnogo od vremena poluraspada. Jednadžbu raspada možemo zapisai kao: N = N e τ ln N lnn T 2T 3T 4T 5T 6T 7T vrijeme Naime, vrijeme živoa je vremenski razmak u kojem se broj jezgara smanji za fakor 1/e (e = 2,718), dok se za vrijeme poluraspada T broj jezgara smanji za 1/2 Vrijeme poluraspada T za neke nuklide NUKLID T NUKLID T NUKLID T n 1 1,5 min. 19 K 43 22,3 h 53I 131 8,4 dana 1H 3 12,3 god. 21Sc 43 3,89 h 88Ra god. 6C god. 22Ti 43,49 s 92U god. 8O s 27Co 6 5,3 god. 92U 238 4,5 1 9 god. KTIVNOST Pod pojmom akivnosi nekog radioakivnog elemena podrazumijevamo brzinu raspada, dakle omjer N/. kivnos je dakle proporcionalna broju prisunih neraspadnuih jezgara: = λ N i iskazuje se bekerelom (znak: Bq s 1 ). Neki elemen ima akivnos od 1 Bq kada se dogodi jedan raspad u jednoj sekundi. Jedan gram radija ima akivnos 3,7 1 1 Bq. Taj broj raspada se nekad nazivao kiri (Ci). Budući da se broj neraspadnuih jezgara smanjuje ijekom vremena po isom zakonu smanjuje se i akivnos u nekom renuku pa dobijemo:

8 75 = 2 gdje je akivnos u renuku =, a T je vrijeme poluraspada. Budući da je broj česica proporcionalan s masom isi zakon možemo napisai i za masu m prisune neraspadnue radioakivne vari u nekom renuku : gdje je m, masa vari u renuku =. m = m 2 T 4.3. STRUKTUR TOMSKE JEGRE Godine je nekoliko israživača neovisno našlo odgovore na pianja o prirodi, uzroku i energiji radiakivnog rasapada koja su posavljali fizičari i kemičari. Osim osalog, već se znao naboj elekrona, posojanje jezgre aoma, Bohrov model aoma, id. Sve o je pomoglo Fredericku Soddyju, da posavi genijalnu hipoezu o posojanju izoopa kemijskog elemena - aoma isog rednog broja ali različiih masenih brojeva. Okriće neurona: Neuron je relaivno kasno okriven zbog oga šo ga slobodnog u prirodi goovo da i nema godine zapaženo je da pri bombardiranju berilija α- česicama nasaje neko vrlo prodorno zračenje koje čak prodire kroz debele olovne ploče godine Irena Curie (kći M. Curie) i F. Jolio usanovili su da o zračenje izbacuje proone iz parafina, ali su mislili da se radi o X-zračenju (sl.4.7.). Te ise godine James Chadwick ( ) engleski fizičar, dobinik Nobelove nagrade godine, ponavljajući pokuse i s drugim maerijalima zaključio je da se svi rezulai izvanredno slažu, ako se preposavi da novo zračenje sačinjavaju nove česice koje su elekrički neuralne, a imaju masu približno jednaku masi proona, pa ih je nazvao neuronima. T Ruherford je neuronsko zračenje slikovio predočio kao nevidljivog čovjeka čija se nazočnos mogla osjeii kad god bi se s nekim sudario. Preposavka da je o X-zračenje nije se mogla održai jer akvo zračenje ne bi moglo izbii proon iz jezgre aoma zbog premale energije. Duboko značenje hipoeze o izoopima posa će jasno ek godine kada je okriven neuron i kada je popuno usanovljen model jezgre koja se sasoji od proona i neurona. Te dvije česice imaju slična svojsva, pa se na njih gleda kao na dva nabojna sanja "jedne e ise česice" koje nazivamo nukleonima. Nukleon se javlja u dva oblika: nabijeno sanje - proon i nenabijeno sanje - neuron. Oznake aoma: ome kemijskih elemenaa bilježimo s dvije karakerisike: rednim brojem i masenim brojem. a neki aom elemena X uvodimo oznaku X. Primjerice 226 uzmimo simbol izoopa aoma radija 88 Ra : aj zapis znači da jezgra radija ima = 88 proona i = = 138 neurona. Radioakivni raspad radija na radon i helij ada se mogao predočii shemom: Ra Rn He koja je vrlo slična pisanju kemijskih reakcija. apravo o i jes reakcija, ali nuklearna.

9 76 Na isuće israživača je radilo na okrivanju prevorbe (ransmuacije) elemenaa. Jedan od elemenaa kojeg je bilo moguće nepresance israživai bio je uran 238 U. Njega se moglo naći u prirodi jer se još nije raspao zbog dugog vremena poluraspada. Radioakivni niz urana predsavljen je na slici 4.8. Svi elemeni uranove porodice su u ravnoeži. To znači da je broj novosvorenih aoma u nekom periodu vremena jednak broju raspadnuih aoma. Šo je kraće vrijeme poluraspada pojedinog elemena u porodici o ga ima manje u ukupnom uzorku U Maseni broj α β slika Ra Redni broj elemena Tl Pb Bi Po Rn Fr Ra c Th Pa U 238 Izmeñu U i Pb ima 8 α-raspada i 6 β-raspada. Svaki β-raspad praćen je emisijom γ- zračenja. Većina radioakivnih elemenaa se mogu svrsai u čeiri niza s masenim brojem koji zadovoljavaju jednakos: = 4 n C, gdje je n prirodan broj, dok C poprima vrijednosi, 1, 2 i Torijevog 9 Th (T = 1, godina) koji završava sabilnim olovom 82 Pb. (C = ) Nepunijevog 93 Np (T = 2, godina) koji završava sabilnim bizmuom 83 Bi. (C = 1 ) Uranovog 92 U (T = 4, godina) koji završava sabilnim olovom 82 Pb. (C = 2 ) kinijevog 92 U (T = 7, godina) koji završava sabilnim olovom 82 Pb. (C = 3 ) Konačni sabilni izoopi ujedno su i naježe sabilne jezgre nañene u prirodi. Radioakivni nizovi ne počinju od izoopa 232 Th, 237 Np, 238 U, 235 U, već su oni samo najdulje živući u pojedinom nizu. Od čeiri navedena niza mi deekiramo samo ri jer nepunijev niz ima premalo vrijeme poluraspada T. Nakon velikog praska e svaranja ežih elemenaa eksplozijom Nova i Supernova smara se da je saros Sunčeva susava oko godina.

10 a aom koji ima sasvim odreñenu vrijednos rednog broja i masenog broja uveden je ermin nuklid. To znači da je svaki izoop zaseban nuklid. ž Izoopi su aomi jednakog broja proona ( = konsanno) Izooni su aomi jednakog broja neurona (N = konsanno) Izobari su aomi jednakog masenog broja ( = konsanno) Neurino ν Neuron kao slobodna česica nije sabilan. Vrijeme poluraspada slobodnog neurona iznosi oko 1 minua. Neuron se raspada na elekron i proon. Meñuim, nasali proon i elekron ne gibaju se pod kuom od 18, kako bi se očekivalo, već pod različiim kuom kao da je prilikom raspada svorena i neka reća nevidljiva česica (sl.4.9.). Nova česica nema naboja, a možda nema ni mase (m <,6 ev/c 2 ). Njezino posojanje posulirao je W. Pauli * godine i nazvao je neurino (simbol ν e ). Posoji i anineurino (simbol ν e ), o kojem ćemo nešo više reći u kasnijim izlaganjima. merički fizičari F.Reines i C.L.Cowan, posavivši mjerne ureñaje uz nuklearni reakor, deekirali su godine reakciju: ν e p n e Kao proonska mea korišeno je 14 liara vode. Kadmij je služio za deekciju svorenih neurona puem reakcije: 1 n 18 Cd 19 Cd* 19 Cd γ Tako je i on "opažen". animljivo je da je za okriće neurina Reinesu dodijeljena Nobelova nagrada ek godine, dakle goovo nakon čerdese godina. 77 UMJETN RDIOKTIVNOST Počekom godine Iréne i Frederic Jolio ozračivali su aluminij α-česicama ( 4 He) i dobili izoop fosfora (nazvan radiofosfor) i neuron: 4 He 27 l 3 P 1 n Meñuim u oj reakciji su se pojavili i pozironi - aničesice elekrona. Kad se izvor α- česica uklonio neuronski se ok odmah prekidao. račenje nije presalo jer su se i dalje opažali pozironi, koje su emiirale jezgre fosfora, i neurino (elekronski): 3 P 3 Si e ν e dajući još i vrlo rijedak izoop silicija. Radiofosfor prvi je umjeni izoop kojeg je svorio čovjek. Talijanski fizičar Enrico Fermi ( ) je akoñer pronašao da se ozračivanjem neuronima mnogi elemeni mogu učinii radioakivnima. a razliku od α-česice neuron je daleko pogodniji projekil i može lakše upasi u jezgru, jer nema naboja. Fermi je shvaio pogodnos neurona za izazivanje nuklearnih reakcija. Bilo mu je svega 33 godine kad je sa skupinom fizičara neuronima ozračivao različie elemene i promarao reakcije. Sineizirao je nekoliko deseaka novih radioakivnih izoopa. * Pauli je bio uvjeren da se neurino nikada neće moći deekirai pa se kladio u sanduk šampanjca. Neurino prakički kao da ne djeluje na var. Okladu je izgubio nakon 25 godina. Naime, neurino je opažen ek 25 godina kasnije, odnosno godine

11 78 Fermi i njegova skupina suradnika okrili su 22. lisopada godine vrlo čudnu pojavu; Usanovili su da je uspješnos reakcije veća kad se pokusi izvode pod vodom. a o im je bio pogodan bazen sa zlanim ribicama koji se nalazio u dvorišu insiua. Bombardirali su aluminij neuronima i dobili izoop aluminija koji se nakon 2,3 minue raspao na silicij, elekron i anineurino (sl.4.1.). 1 n 27 l 28 Si e X e Iznenañenje je bilo ogromno. Naime, smaramo li jezgru čvrsom grudicom bilo bi logičnije da će brže česice prije prodrijei u jezgru nego spore. Pa upravo zbog oga su i izmišljeni akceleraori česica. Kod neurona je slika bila obrnua: šo se oni sporije gibaju, o je veća njihova apsorpcija u jezgrama. Taj je pokus usporavanja neurona bio, kao šo ćemo kasnije vidjei, značajan za pokreanje nuklearnog reakora. PODCI O VRSTM RSPD 1. α-raspad (simbol α): Kod α-raspada iz jezgre izlaze česice koje se sasoje od dva proona i dva neurona. Te česice su idenične jezgrama aoma helija He. bog oga se radioakivni elemen mijenja ako da mu se redni broj smanjuje za dva, a maseni za čeiri, prevarajući se u drugi elemen: 4 2 X Y 4 2He lfa česice izlazeći iz jezgre nekog radioakivnog aoma su goovo sve ise energije, pa kažemo da je spekar ih česica monoenergijski. Slika prikazuje raspodjelu α- česica po energiji. Neke radioakivne jezgre imaju vrlo kraak period poluraspada, dok je kod nekih aj poluperiod izvanredno velik. Primjerice, polonij ima vrijeme poluraspada reda veličine 1 7 s, dok uran ima vrijeme poluraspada reda veličine 1 9 godina. Područje energija α- česica je izmeñu 41 MeV, ovisno o radioakivnom elemenu. Pokusi pokazuju da posoji veza izmeñu vremena poluraspada jezgara i energija α-česica: Šo je veća energija kojom su emiirane, vrijeme poluraspada je kraće. 2. β-raspad (simbol β ili e): U raspadima aomskih jezgara poznae su ri vrse prevorbi koje se nazivaju bea raspad: β -raspad: Kod og raspada jedan neuron u jezgri prevori se u proon p, elekron e i anineurino X e : Broj α- česica N slika 4.1. slika energija E n p e X e β -raspad: Kod og raspada jedan proon u jezgri prevori se u neuron n, poziron e anielekron) i neurino ν e : (ili zv. p n e ν e Elekronski uhva: Kod og raspada jezgra uhvai jedan elekron iz omoača aoma i pri om se jedan proon iz jezgre prevara u neuron i neurino: p e n ν e

12 Uhva prai emisija karakerisičnog rengenskog zračenja, jer dolazi do prelaska elekrona u omoaču aoma s više energijske razine na ispražnjenu nižu energijsku razinu. Česo se aj proces naziva i K-uhva jer zahvaća orbialni elekron iz K ljuske aoma. Spekar energija izbačenih elekrona pri β-raspadu je u većini slučajeva koninuiran (sl.4.12.). Posoji maksimum za neku odreñenu energiju, pa emiirani elekron pri β-raspadu može imai sve energije od nule do maksimalne. Jezgre koje se raspadaju β-raspadom imaju relaivno dugo vrijeme poluraspada, šo je posljedica slabog nuklearnog meñudjelovanja. Pri β-raspadima dolazi do prevorbe elemenaa iz jednog u drugi jer se mijenja redni broj aoma. Ovisno o vrsi raspada aom prelazi u onaj s većim ili onaj s manjim rednim brojem. X ± Y (anineurino ili neurino) 1 e 1 3. γ-raspad : Gama zrake su fooni vrlo velike frekvencije f, pa ime i velike energije h f. Izvor ih zraka je aomska jezgra. Meode ispiivanja su slične kao kod svih elekromagnenih valova. Emisija γ-zraka uvijek prai α i β zračenje. Spekri og zračenja su izrazio linijski i oni nam daju informaciju o energijskim razinama jezgre. Naime, γ-zračenje je posljedica prelaska jezgre iz sanja više u sanje niže energije. Energija zračenja je reda veličine MeV, za razliku od foona koji se opažaju kod prelaska u omoaču aoma čije su energije milijun pua manje. Upravo puem ispiivanja spekra γ-zračenja dobivamo većinu podaaka o energijskim razinama nukleona u jezgri pojedinih aoma. Kod og zračenja jezgra aoma prelazi iz sanja više u sanje niže energije. Običaj je da se pobuñena jezgra označava zvjezdicom ako da o zračenje možemo simbolički prikazai: X* X γ U nuklearnim procesima okrivene su i druge vrse radioakivnosi: Proonska radioakivnos iz jezgre izlaze prooni Neuronska radioakivnos iz jezgre izlaze neuroni 12 C-radioakivnos iz jezgre aoma izlaze jezgre ugljika 16 O-radiakivnos iz jezgre aoma izlaze jezgre kisika Sponana fisija raspad jezgre na dvije manje uz emisiju nekoliko neurona bog simerija ** u prirodi radioakivni raspad se odvija po sljedećim zakonima: 1. Sačuvanje mase energije, koji slijedi iz simerije vremena. 2. Sačuvanje količine gibanja, koji slijedi iz simerije prosora. 3. Sačuvanje momena količine gibanja koji slijedi iz činjenice da zakoni fizike ne ovise o orijenaciji nekog slobodnog susava u prosoru. 4. Sačuvanje naboja, jer se elekron ne može svorii ili nesai sam, već samo u parovima. 5. Sačuvanje broja eških česica, iz kojeg slijedi da broj nukleona mora osai salan. Broj β- česica / E slika energija E 79 ** O simeriji fizikalnih zakona možee saznai nešo više iz knjige R. Feynman "Osobiosi fizikalnih zakona" (Školska knjiga). U oj knjizi opisuje se povezanos zakona simerije sa zakonima očuvanja. Simerija na vrijeme: Kao šo je poznao jednadžbe klasične mehanike se ne mijenjaju pri "preokreanju vremena". U kvannoj mehanici simerija u odnosu na oba smjera vremena (prošlos-budućnos) izražava se u nepromjenjljivosi valne funkcije pri promjeni predznaka. Ta simerija se odnosi samo na jednadžbe, ali ne na sam pojam mjerenja.

13 8 SŽETK Proces u kojem se aomska jezgra mijenja sponano, bez vanjskog ujecaja, nazivamo radioakivnim procesom ili raspadom. Česice koje jezgra emiira pri om procesu nazivamo radioakivnim zračenjem. Kod α i β raspada izlaze iz jezgre česice mijenjajući prvonu jezgru u novi elemen, dok kod γ raspada, kada se iz pobuñene jezgre emiiraju elekromagneni valovi (fooni), ne mijenjaju redni i maseni broj jezgre, već ona prelazi iz sanja više energije u sanje niže energije (sl.4.13.). α-raspad: β -raspad: β -raspad: Uhva elekrona: γ-raspad: α X Y He β X 1Y 1e β X 1Y 1e uhva 1e z X z1y νe X* γ X γ ν ν e e slika Pri β-raspadima u jezgri se dogañaju prevorbe: (β raspad) n p e ν e (β raspad) p n e ν e (uhva) p e n ν e KON RDIOKTIVNOG RSPD λ T = N e ili N = N 2 N N = broj prisunih neraspadnuih jezgara u renuku = N = broj prisunih neraspadnuih jezgara u renuku λ = konsana raspada T = vrijeme poluraspada Veza λ i T : kivnos: = λ N ln2,693 T = = λ λ λ T = e ili = 2