Objavy stavby jadra: 1. H. BECQUEREL (1852 1908) objavil prenikavé žiarenie vysielané zlúčeninami prvku uránu. 2. Pomocou žiarenia α objavil Rutherford so svojimi spolupracovníkmi atómové jadro. Žiarenie α je prúd jadier prvku hélia. 3. Jadro najľahšieho prvku vodíka bolo neskôr nazvané protónom a ukázalo sa, že je jedným z dvoch stavebných prvkov, z ktorých sú vybudované všetky jadrá. 4. Druhý stavebný prvok neutrón objavil v roku 1932 Rutherfordov spolupracovník J. CHADWICK (1891 1974) Zloženie jadra: 5. Hmotnosť protónu je m p = 1,672 262 10 27 kg 6. Hmotnosť elektrónu m e = 9,109 10 31 kg. ( m p = 1 837 m e ) 7. Hmotnosť neutrónu je len o niečo málo väčšia ako hmotnosť protónu 8. m n = 1,674 566 10 27 kg 9. Rozmer protónu je dnes dobre známy. Polomer protónu je približne 10. r p = 0,7 10 15 m = 0,7 fm Jednotka fm (femtometer) sa rovná 10 15 m 11. Polomer atómu vodíka je r H = 0,529 10 10 m 12. Teda rozmer jadra je 100 000-krát menší ako rozmer atómu. 13. Rozmer elektrónu dnes nie je známy, vieme len to, že je aspoň 10 000-krát menší ako rozmer protónu. 14. V jadrovej fyzike toto jadro označujeme symbolom 4 2He, kde číslo 2 dole označuje počet protónov v jadre a číslo 4 hore označuje súčet počtu protónov a neutrónov. 15. Protón aj neutrón nazývame nukleónmi a súčet počtu neutrónov a počtu protónov nazývame nukleónovým číslom. Všeobecne je zloženie jadra označené symbolom A ZX 16. X je príslušná značka chemického prvku, Z je protónové číslo (počet protónov) a A je nukleónové číslo (súčet počtu protónov a neutrónov). 1
Väzbová energia jadra: 1. Vyjadrovanie hmotností neutrónov, protónov a jadier v kg je pomerne nepraktické. Ako sme videli v predchádzajúcom článku hmotnosti obsahujú výrazy ako 10 27 kg. Jadroví a časticoví fyzici používajú radšej jednotku: 1 MeV/c 2 = 1,782x10-30 kg 2. ev je energia, ktorú získa častica s nábojom +e ak je urýchlená v elektrostatickom poli rozdielom potenciálov rovnajúcim sa 1 V (volt). 3. Napríklad pre jadro približne platí: =3 727.7 / 4. Ak si však spočítame hmotnosti nukleónov, z ktorých sa toto jadro skladá, dostaneme 2 +2 =3 755.7 / 5. Hmotnosť jadra hélia je teda menšia o približne 28 MeV/c2 ako je súčet hmotností dvoch neutrónov a dvoch protónov. Energia sa pri syntéze atómu Hélia uvoľňuje. 6. Rovnicu treba doplniť Einsteinovým vzťahom: =. 7. Energia ΔE = 28 MeV sa preto nazýva väzbovou energiou jadra hélia. 8. Pri výbuchu atómovej bomby obsahujúcej urán dochádza pôsobením neutrónov k štiepeniu jadra uránu 235 U, jeho rozpadnutiu na dva približne rovnako ťažké fragmenty, ktoré majú nižšiu celkovú hmotnosť ako samotné uránové jadro. Energia sa pri štiepení uránu uvoľňuje. Na jedno jadro je to asi 200 MeV. + + + Veľkosť jadrovej energie: 1. Zlúčením protónu a elektrónu na atómu vodíka získame energiu (chemická reakcia) na jeden kilogram (teda 1 kg/ m p ) protónov: Na jeden nukleón je energia 13,6 ev (je tam len jeden). =, 3 1 =13,6.0,598.10 =8,133.10 =13,03.10 2. Zlúčením dvoch protónov a dvoch neutrónov na jadro atómu hélia získame energiu (jadrová reakcia) na jeden kilogram (teda podobne 0,5 kg/ m p ) nukleónov (0,5 kg protónov): Na jeden nukleón je energia 28/4 MeV. =, 1 =7.10.0,598.10 =4,19.10 =6,71.10 3. Rozpadom 1 kg uránu 235 získame energiu (jadrová reakcia) na jeden kilogram (teda podobne 1 kg/ m p ) nukleónov: Na jeden nukleón je energia 200/235 MeV. 2
=, 1 =8,51.10.0,598.10 =5,09.10 =8,15.10 4. Podrobnejšie o výpočtoch pozri : D:\ivan\Gymnazium\Pripravy\Fyzika\Stvrtaci\PorovnanieEnergieJadra.xlsx Určovanie veku predmetov v archeológii rádioaktívnym uhlíkom: 1. Jadrá vznikajú v atmosfére v dôsledku interakcie častíc kozmického žiarenia s jadrami dusíka a kyslíka. 2. Polčas rozpadu je τ = 5730 rokov. 3. Uhlík je podstatnou súčasťou organickej prírody, teda rastlín aj organizmov. Rastliny i živočíchy prijímajú i vylučujú uhlík a uhlík z atmosféry koluje v rastlinách i v živočíchoch. Podiel / je preto rovnaký v atmosfére ako v živých rastlinách a živočíchoch. Hneď ako rastlina alebo organizmus odumrie, výmena látok s okolím prestane a podiel / sa zmení. Predstavme si kus dreva, ktorý odumrel presne pred τ = 5730 rokmi. Uhlík v ňom zostal bezo zmeny, ale polovička všetkých jadier sa už rozpadla. Preto pomer počtu jadier k počtu jadier v ňom už bude len polovicou toho, čo v živom dreve. = 1 2 3
Žiarenie α: 1. Rozpad Rádia - 1898 Mária Curie-Skłodowska: Žiarenie β: 1. Rozpad uhlíka : Žiarenie γ: 2. Pri prechode zo stavu s vyššou hodnotou energie do stavu s nižšou hodnotou energie môžu vyslať kvantum elektromagnetického žiarenia podľa schémy (vyžiarenie fotónu z excitovaného atómu): 3. Žiarenie γ má elektromagnetickú povahu, sú to fotóny s energiami od 10 kev do niekoľko MeV. Napríklad pri najčastejšom prípade premeny (6) sa energia γ-kvanta rovná 1,722 MeV. Na porovnanie pripomíname, že fotóny viditeľného svetla majú energie niekoľko ev. Obr. 4-3 4. Rozličná prenikavosť troch zložiek rádioaktívneho žiarenia (schematicky): a. L list papiera b. P hliníkový plech c. B olovený blok 5. Hmotnosť rádioaktívnych izotopov ja taká nízka, že ich nemôžeme vážiť. Aby bolo možné určiť ich počet, bolo potrebné vymyslieť novú jednotku. Jedna rádioaktívna premena za sekundu bola nazvaná Becquerel (Bq). To znamená, že akákoľvek látka, ktorá má napr. 1 000 Bq nejakého rádioaktívneho izotopu, je schopná produkovať 1 000 premien za sekundu. Množstvu energie, ktoré obdrží ožarovaný predmet, bola priradená jednotka, ktorá vyjadruje množstvo obdržanej energie na jednotku hmotnosti, teda J/kg. Táto jednotka bola nazvaná Gray (Gy). Zatiaľ čo účinky jedného Gray beta a gama žiarenia na organizmus sú veľmi podobné, žiarenie alfa môže pôsobiť 10-krát účinnejšie a neutróny 5 až 20-krát účinnejšie. Bolo preto potrebné vymyslieť korekciu pre popis účinkov 1 Gray na organizmus. Korekcia 4
bola nazvaná radiačným váhovým faktorom. Nová jednotka bola nazvaná Sievert (Sv). Potom platí: 1 Sv pre beta a gama žiarenie sa rovná 1 Gy, 1 Sv pre alfa žiarenie sa rovná 10 x Gy, 1 Sv pre neutróny sa rovná 5 až 20 x Gy. 6. Limit žiarenia pre obyvateľstvo: 1 msv za rok max. 5 msv za rok 5