To je ujedno 1/12 mase atoma ugljika koja je određena eksperimentom i koja iznosi kg. Dakle mase nukleona:

Transcript

1 Nuklearna fizika_intro Osnovne sile u prirodi, građa atomske jezgre, nukleoni i izotopi, energija vezanja jezgre, radioaktivnost, osnovne vrste radioaktivnog zračenja i njihova svojstva, zakon radioaktivnog raspada, nuklearne reakcije - zakon očuvanja naboja i masenog broja, fisija i fuzija Osnovne sile u prirodi Za postojanje materije kakvu poznajemo odgovorne su četiri osnovne sile u prirodi: gravitacijska, elektromagnetska, slaba i jaka nuklearna sila. O gravitacijskoj i elektromagnetskoj već je bilo riječi. Novost je tzv. prijenosnik sile (medijator) - čestica koja generira određenu vrstu međudjelovanja odnosno vrstu sile. Gravitacijska sila beskonačan doseg privlačan karakter medijator je graviton (koji zasad nije eksperimentalno potvrđen) Elektromagnetska sila beskonačan doseg privlačan i odbojan karakter, ovisno o naboju čestica medijator je foton - čestica bez mase Slaba nuklearna sila vrlo kratki doseg (do m) omogućuje beta-raspad, odgovorna za postojanje teških elemenata medijator je bozon Jaka nuklearna sila kratak doseg (oko m) djeluje među protonima i neutronima u jezgri (ne reagira na naboj čestice) medijator je gluon, koji djeluje među kvarkovima; npr. proton je u biti vezano stanje tri kvarka p uud, u - up kvark, d - down kvark; postoje još i s - strange kvark, c - charmed kvark, b - bottom i t - top kvarkovi

2 Građa atomske jezgre, nukleoni i izotopi U samom središtu atoma, zaklonjena, tj. okružena elektronima nalazi se atomska jezgra (nukleus). U jezgri nalazimo dvije vrste čestica - protone i neutrone, koje zajedničkim imenom nazivamo nukleoni. Rutherfordovi eksperimenti pokazali su da su mase nukleona znatno veće od mase elektrona (preko 99.9% mase atoma potječe od jezgre). Prije nego navedemo mase nukleona, definirati ćemo atomsku jedinicu mase koju označavamo s u, a koja iznosi To je ujedno 1/12 mase atoma ugljika koja je određena eksperimentom i koja iznosi kg. Dakle mase nukleona: odnosno, Prema Einsteinovoj formuli masa je povezana s energijom mirovanja, E0 = mc 2 i stoga masi od 1 u odgovara energija U atomskoj i nuklearnoj fizici, energije se uobičajeno izražavaju mjernom jedinicom elektronvolt iz čega slijedi Provjerite da masi elektrona odgovarajuća energija iznosi svega MeV, a protona 938 MeV.

3 Jezgre atoma razlikuju se po veličini, naboju i masi. Da bismo razlikovali jezgre različitih atoma uvodimo dva broja koji ih jednoznačno opisuju. To su redni broj (Z) i maseni broj (A). Redni broj predstavlja broj protona u jezgri atoma (a samim time i broj elektrona u neutralnom atomu elementa), dok maseni broj predstavlja broj nukleona (protona i neutrona zajeno) u jezgri. Jezgre s definiranim brojevima A i Z nazivaju se nuklidi. Npr Cl Izotopi: Atomi elementa koji u jezgri imaju različit broj neutrona, ne razlikuju se po kemijskom sastavu i stoga zauzimaju isto mjesto u periodnom sustavu elemenata. Takve elemente nazivamo izotopi. Npr. izotopi neona 20 10Ne, Ne, i Ne Energija vezanja jezgre Gustoća jezgre ( kg/m 3 ) daje naslutiti da su nukleoni međusobno povezani vrlo jakom silom. Priroda nuklearne sile i danas se istražuje, a sada ćemo navesti njezina osnovna svojstva. Premda se u jezgri nalaze pozitivno nabijene čestice (protoni) ne dolazi do raspada jezgre koji bi bio posljedica djelovanja električne sile između naboja istog predznaka tj. protona. Među nukleonima jezgre djeluje nuklearna sila. Odgovorna je za vezanje protona i neutrona u jezgri. Djelovanje nuklearne sile jest vrlo kratkog dosega (reda veličine femtometra; 1 fm=10-15 m) Ako se nukleoni udalje svega nekoliko femtometara, djelovanje nuklearne sile prestaje. Nakon toga postaje dominantno djelovanje odbojne električne sile među protonima. Na osnovi izloženog razmislite zbog čega nemamo stabilne jezgre s npr protona? Nuklearna sila ne ovisi o naboju nukleona i u tom smislu jednako tretira proton koji je pozitivno nabijen i neutron koji je električki neutralan. Da bi nastala jezgra nukleoni se moraju spajati! Otkriveno je da spajanjem nukleona pri stvaranju jezgre oni dio svoje mase koriste za oslobađanje energije. U obrnutom slučaju, ako određenu jezgru želimo razložiti na protone i neutrone tada moramo uložiti energiju. Rad koji moramo uložiti da se jezgra rastavi na protone i neutrone zove se energija vezanja jezgre. Nakon razdvajanja nastali nukleoni nemaju nikakvu kinetičku energiju.

4 Energija vezanja jezgre računa se prema formuli ΔE = Δm c 2 pri čemu je defekt mase jezgre Δm, a brzina svjetlosti u vakuumu c. Mjerna jedinica je džul (J), odnosno uobičajemo MeV. Defekt mase jezgre je razlika između mase jezgre i mase njezinih sastavnih dijelova, a računa se prema gdje je M masa jezgre, Z redni broj, N=A-Z broj neutrona u jezgri, mp masa protona i mn masa neutrona. Energije vezanja jezgre očekivano se razlikuju za pojedine jezgre. Korisna mjera za stabilnost neke jezgre jest energija vezanja jezgre po nukleonu (ΔE/A). Što je energija vezanja jezgre po nukleonu veća jezgra je stabilnija. Slika 1. prikazuje kako energija vezanja po nukleonu ovisi o masenom broju jezgre. Slika 1. Graf energije vezanja po nukleonu Na danom grafu najveća vrijednost energije vezanja po nukleonu iznosi 8.8 MeV/nukleonu kada je broj nukleona jednak 56. To je jezgra izotopa željeza, dakle najstabilnija jezgra. Vidimo da najveću stabilnost (tj. najjače vezane jezgre) nalazimo kod jezgri iz sredine periodnog sustava. Za jezgre s početka periodnog sustava (mali maseni brojevi) postoje velike i skokovite razlike. Za jezgre s velikim brojem nukleona primjećujemo opadanje vrijednosti energije vezanja po nukleonu, te za uran ona iznosi 7.6 MeV/nukleonu. Dakle, za izdvojiti jedan nukleon iz jezgre urana treba uložiti energiju od 7.6 MeV.

5 Radioaktivnost Stabilnost jezgre ovisi o nuklearnoj sili koja se bori protiv odbojne kulonske (električne) sile na razini dimenzija jezgre. Mnoge jezgre su u osnovi nestabilne i kroz spontana restrukturiranja postaju stabilnije tj. dolaze u stanje niže energije. Za takve jezgre kažemo da su radioaktivne. Osnovne vrste radioaktivnog zračenja i njihova svojstva Jezgre s velikim A ili one u kojima je nepovoljan omjer broja protona prema broju neutrona tipično su radioaktivne. Povoljnije energijsko stanje takve jezgre postižu izvođenjem jednog ili više radioaktivnih raspada. To su: alfa raspad, beta raspad i gama raspad. alfa raspad (α-raspad) Karakterističan za jezge s velikim brojem nukleona, npr. pri čemu se emitira α-čestica odnosno jezgra helija Time se velika jezgra brzo riješi 4 nukleona. Primjetimo da prilikom raspada imamo očuvanje masenog i rednog broja, a što će biti osobina i ostalih raspada. Jezgra koja se raspada naziva se roditelj, a jezgra koja nastaje kćer. Općenita reakcija za alfa raspad ima oblik Rn Po + 24 α 4 2He A Z X A 4 Z 2 Y He beta raspad (β-raspad) Ima više vrsta ovog raspada: β - (beta minus), β + (beta plus) i uhvat elektrona koji nećemo razmatrati. beta minus raspad: kada je omjer broja neutrona prema broju protona u jezgri prevelik tj. kada jezgra ima previše neutrona dolazi do ovog raspada. Pritom se neutron transformira u proton i elektron koji napušta jezgru kao tzv. beta čestica. U toj pretvorbi nastaje i misteriozni antineutrino, a za takvu reakciju odgovorna je slaba nuklearna sila. Primjer reakcije je pretvorba jezgre ugljika u jezgru dušika odnosno općenita formula bi bila 14 6C 14 7 N e + ν e A Z X A Z+1 Y + 10 β + ν e

6 beta plus raspad: kada je u jezgri prevelik broj protona prema broju neutrona događa se ovaj raspad. Proton se transformita u neutron i pritom još nastaje pozitron (beta plus čestica) i neutrino. Pozitron je antičestica elektronu i ima pozitivan naboj. Primjer ovog raspada je odnosno općenito 17 9F 17 8 O e + ν e gama raspad A Z X A Z 1 Y β + ν e U dosad navedenim raspadima imali smo pretvorbu jezgre elementa u neki drugi element (pogledajte primjere). Tako nešto se pri gama raspadu jezgre ne događa, već ova vrsta raspada služi jezgri da se njezina energija dodatno spusti i da time postigne stabilnije stanje. Npr. prvo imamo beta minus raspad jezgre kalija 42 19K Ca e + ν e čime nastaje zvjezdicom označena jezgra kalcija u stanju s visokom energijom. Dalje slijedi njezin gama raspad prema 42 20Ca Ca + γ Tom prilikom emitira se gama kvant ili gama čestica koja u stvari nije čestica već elektromagnetski val izuzetno velike frekvencije i samim time, prema E=hf, energije. Na gama kvant ne djeluje magnetsko polje jer nema naboj, za razliku od alfa i beta čestica koje imaju naboj. Slika 2. prikazuje djelovanje magnetskog polja na navedene čestice. Slika 2. Djelovanje magnetskog polja na čestice

7 Zakon radioaktivnog raspada Radioaktivni raspad slučajni je proces tijekom kojeg se jezgre radioaktivnog uzorka raspadaju neovisno jedna o drugoj. Tako se u radioaktivnom uzorku broj nestabilnih jezgara tijekom vremena smanjuje. Ako s N0 označimo broj neraspadnutih jezgri u početnom trenutku, tada je broj neraspadnutih jezgri N nakon vremena t dan formulom N = N 0 e λ t koju zovemo zakon radioaktivnog raspada. U navedenoj jednadžbi λ predstavlja konstantu raspada (nije valna duljina!) kojoj je mjerna jedinica s -1. Ako je za radioaktivni uzorak konstanta raspada velika znači da se jezgre tog uzorka brzo raspadaju i obratno, mala konstanta raspada znači sporije raspadanje jezgri. Navedeni zakon radioaktivnog raspada jest statistički zakon koji nam ne govori kada će se neka jezgra raspasti već podatak da je nakon određenog vremena dio jezgri iz uzorka imao raspad. Osim konstante raspada za jezgre se navodi vrijeme poluraspada T1/2. Nakon što od početka raspada prođe vrijeme T1/2 u uzorku se nalazi N0/2 neraspadnutih jezgri (slika 3.) Slika 3. Vrijeme poluraspada Konstanta raspada i vrijeme poluraspada povezani su formulom T 1/2 = λ Ponekad se zakon radioaktivnog raspada daje i izrazom N = N 0 2 t T 1/2

8 Aktivnost radioaktivnog uzorka A govori nam o broju emitiranih čestica ili fotona s radioaktivnog uzorka u jedinici vremena, dakle brzinu kojom se raspada jezgra. Vrijedi formula A = λ N gdje je λ konstanta raspada, a N broj neraspadnutih jezgara u uzorku. Mjerna jedinica za aktivnost je bekerel, Bq. Nuklearne reakcije - zakon očuvanja naboja i masenog broja U nuklearnim reakcijama imamo pretvorbu jednog elementa u drugi na umjetan način. Slično kemijskim reakcijama i nuklearne zapisujemo simbolički poput 14 7N He 1 1 H O Općenito za nuklearne reakcije možemo pisati a + A B + b gdje smo s a označili česticu koja bombardira metu, jezgru A. Kao rezultat reakcije nastaje jezgra B (koja se ponekad naziva rezidualna jezgra), te čestica b. Za svaku nuklearnu reakciju vrijede sljedeći zakoni očuvanja: Fisija i fuzija Nuklearna fisija jest reakcija pri kojoj nakon apsorpcije neutrona u masivnoj jezgri dolazi do njezinog cijepanja na lakše i stabilnije jezgre uz oslobađanje energije. Nuklearna fuzija jest reakcija kada se manje masivne jezgre sjedinjuju i na taj način stvaraju masivniju jezgru uz oslobađanje energije.

9 Korisno je znati oznake koje se koriste za obilježavanje čestica u nuklearnoj fizici: proton 1 1p ili 1 1 H 1 neutron 0n β - čestica (elektron) 0 1e ili 0 1β 0 β + čestica (pozitron) +1e ili +10 β 0 γ čestica (γ foton) 0γ 4 α čestica 2α ili 4 2 He