Elementi atomske i nuklearne fizike

Elementi atomske i nuklearne fizike 1. Struktura atoma. Nuklearne sile. 2. Radioaktivnost. Nuklearne reakcije. 3. Radioaktivno zračenje - primer: primena i zaštita

GRAĐA ATOMA Atom : - pozitivno naelektrisan nukleus (jezgro) - omotač negativno naelektrisanih elektrona. Nukleus - manji od deset-hiljaditog dela ukupne veličine atoma. m p ~ 1840 m e - sadrţi više od 99,9% atomske mase. - sastoji se od pozitivno naelektrisanih čestica (p) i m p ~ m n elektroneutralnih čestica (n) koje na okupu drţi jake nuklearne sile. Nuklearne sile su - 100 x snaţnije od elektrostatičke sile koja vezuje elektrone za nukleus, ali je njen domet ograničen na razdaljinu reda veličine 10-15 m - nezavisne od naelektrisanja, ( nuklearne sile su jednake izmeďu dva protona, dva neutrona, ili protona i neutrona). - obezbeďuje stabilnost atoma.

ATOM Atomski broj (broj protona u nukleusu) Z odreďuje fzičke i hemijske osobine atoma. Broj neutrona N. Maseni broj A=Z+N. Izotopi atomi istog elementa koji se meďusobno razlikuju po broju neutrona u jezgru. Neutralni atom broj elektrona je jednak broju protona u jezgru. Joni atom izgubi ili dobije elektron (ne menja mu se broj protona i neutrona) Do sada je poznato 118 elemenata, MeĎu elementima postoji otprilike 270 stabilnih izotopa i više od 2000 nestabilnih izotopa.

JONI Atom je u celini elektroneutralan. Broj protona jednak je broju elektrona a svaki od njih je nosilac elementarne količine, ali naelektrisanja suprotnog znaka. Otpuštanjem ili primanjem elektrona nastaju pozitivno ili negativno naelektrisane čestice joni. Kada se jon natrijuma i jon hlora veţu dobijamo molekul...

Nuklearna fizika istraţuje strukturu, svojstva, uzajamna delovanja i transformacije atomskih jezgara i njihovih sastavnih delova. Nuklearna fizika odgovara na pitanja kao što su: Koje vrste interakcija karakterišu elementarne čestice? Koje transformacije jezgra su moguće? Koji procesi u okviru nuklearne fizike mogu biti iskorišćeni u praktične svrhe?

RADIOAKTIVNOST 1896. Henri Bekerel (Henri Becquerel), francuski fizičar, Senka ključa na fotoosetljivoj ploči i ruda od uranijuma. Radioaktvini materijali koji emituju prodorne zrake iz jezgra atoma zbog radioaktivnog raspadanja. 1899. Ernest Rutherford je otkrio alfa, beta i gama radijaciju. -čestica, jezgro atoma helijuma, 2 He 4 ( brzina ~ c 1/15) α -zračenje se moţe zaustaviti listom papira. β -čestice su identifikovane kao elektroni velikih brzina (~ c 0,9). Šest milimetara aluminijuma je potrebno da bi se zaustavila većina beta - čestica. -zraci utvrďeno je da su to fotoni velike energije (brzina: c=3 10 8 m/s). Nekoliko centimetara olova je potrebno da bi se zaustavili. Alfa - čestice i beta - čestice se emituju sa specifičnom energijom koja zavisi od radioaktivnosti izotopa. Gama - zraci, se emituju zajedno sa neprekidnom energijom, od 0 do maksimalne, koju odreďuje neki izotop.

ALFA - RASPAD Proces emisije α-čestica, tj. jezgra 2 He 4 - ( sadrţe 2 protona i 2 neutrona). Z X A 2 4 Z 2 Y A 4 E Brzine kojima alfa-čestice izleću iz jezgra mogu da budu i do 107 m/s; Kinetička energija reda veličine nekoliko MeV (mega elektron volti); ProlazećI kroz supstancu, alfa-čestica postepeno gubi energiju dok se na kraju ne zaustavi. Što je veća gustina supstance, to je manji domet alfa-čestica. Domet ove čestice zavisi i od njene početne brzine.

BETA - RASPAD Z X A Z Y A 1 1 0 E Jezgro ne sadrţi elektrone. Beta-raspad nastaje onda kada se neutron menja u proton u okviru jezgra. Svaki beta-raspad prati (nevidljivi) antineutrino. Tada se broj protona, a time i atomski broj povećava za jedan. Na primer, ugljenikov izotop 14 C je nestabilan i emituje β- čestice, pri čemu nastaje stabilni azotov izotop 14 N:

RASPAD neutrona U stabilnom jezgru, neutron se ne raspada. Slobodni neutroni se mogu raspasti sa periodom t 1/2 =15min. Pri beta-raspadu neutron daje: n proton, beta-česticu i antineutrino. Neutrino je čestica koja postoji samo u kretanju i kreće se brzinom svetlosti. Neutrino ima malu ili uopšte nema mase, kao ni naelektrisanja, ali, kao i proton, nosi impuls i energiju. Energija koja se oslobodi u toku beta -raspada objašnjava se činjenicom da je masa početnog izotopa veća od sabranih masa produkata raspada. Masa se pretvara u energiju baš kao što je Ajnštajn predvidio (E=mc 2 ). p + β +

GAMA ZRAČENJE -zračenje obično prati α - i β -zračenje. Gama zraci su vrsta elektromagnetnog zračenja koje nastaje u preraspodeli energije i naelektrisanja u samom jezgru. -zrak ima najveću energiju a najmanju talasnu duţina od svih elektromagnetnih zraka. -zraci se mogu emitovati kada nukleus prolazi kroz promenu iz jednog oblika u drugi. Kada nukleus emituje -zrake ne menja se ni atomski ni maseni broj.

NUKLEARNE REAKCIJE Ako se jezgra dovoljno pribliţe mogu meďusobno da deluju preko jakih nuklearnih sila i mogu da se dese reakcije izmeďu jezgra. Kao i hemijske reakcije, nuklearne reakcije mogu biti egzotermne (energija se oslobaďa) ili endotermne (energija se vezuje). Dve osnovne egzotermne nuklearne reakcija su: fisija i fuzija.

PUT DO FISIJE 1932.g. engleski fizičar i dobitnik Nobelove nagrade, Dţejms Čedvik je otkrio neutron. Nekoliko godina kasnije, Enrico Fermi i njegovi saradnici su u Rimu otkrili da se bombardovanjem različitih elemenata neutronima stvaraju novi, radioaktivni elementi. 1939.g. nemački hemičari Oto Han i Friz Štrasman su neutronima bombardovali rastvore uranijumovih soli. Nekoliko nedelja kasnije, otkrili su, da je nastao barijum. Fisija je nuklearni proces u kome se teško jezgro razdvaja na dva manja jezgra. Primer fisije, koji je iskorišćen u izradi atomske bombe i koji se još uvijek koristi u nuklearnim reaktorima je:

FISIJA Fisija je proces koji se u svemiru odvijao milijardama godina. Fisijom moţe nastati bilo koja kombinacija lakših jezgara. Pri tome ukupan broj nukleona ostaje isti. U procesu fisije se oslobaďa velika količina energije zbog razlike ukupne mase lakših jezgara (produkata) i mase jezgra koje je nestalo u procesu fisije (E=Δmc 2 ). Fisija nastaje kada se jezgro toliko deformiše (poveća dimenzije) da elektrostatičke odbojne sile postanu dominantne, tj. jezgro moţe da stupi u proces fisije, kada bude u stanju da savlada jake nuklearne sile, koje ga drţe u jednom komadu.

FUZIJA Dva laka jezgra se kombinuju da bi se stvorilo jedno, teţe jezgro. Primeri fuzije:

Primeri fuzije:

FUZIJA OslobaĎa količinu energije koja je oko 10 6 puta veća od energije iz hemijske reakcije. Ova energija se oslobaďa pri spajanju dva laka jezgra jer novonastalo jezgro ima masu manju od zbira masa početnih jezgara. Ne moţe da se odvija pod normalnim uslovima na Zemlji jer je potrebno da se uloţi velika količina energije. Zbog toga što su oba jezgra, koja ulaze u reakciju, pozitivno naelektrisana, dolazi do jakog elektrostatičkog odbijanja kada se spajaju. Potrebno je sabiti jezgra na dimenzije jednog jezgra kako bi jake nuklearne sile, nadjačale elektrostatičke odbojne sile i izazvale sjedinjavanje jezgara. Fuzija se odvijaju već milijardama godina u svemiru. Fuzija je izvor energije većine zvezda, pa tako i našeg Sunca. Naučnici su uspeli da proizvedu fuziju na Zemlji tek u poslednjih šezdesetak godina. Istraţivanja su bila takva da se reakcija fuzije retko dešavala. Kasnije su, ovi eksperimenti doveli do razvoja nekontrolisane fuzije u hidrogenskoj ili termonuklearnoj bombi.

MALO ISTORIJE 1869. - Henri Bekerel (Henri Becquerel) je otkrio radioaktivnost uranijuma. 1902. - Maria i Pjer Kiri (Marie and Pierre Curie), su izolovali radioaktivni element nazvan radijum. 1905. - Ajnštajn (Einstein) objavio svoju teoriju relativnosti. Prema ovoj njegovoj teoriji, transformmacijom mase u energiju, dobili bi smo velike količine energije. 1911. - Raderford (Ernest Rutherford) i Bor (Niels Bohr) su opisali strukturu atoma (planetarni model). Zaključili su da jezgro mora da se prelomi ili da eksplodira kako bi se oslobodila velika količina energije. 1934. - Enriko Femri (Enrico Fermi), naučnik iz Rima, je rastavio teške atome bombardujući ih neutronima. MeĎutim, nije shvatio da je postigao nuklearnu fisiju. Decembra 1938. - u Berlinu, Oto Han (Otto Hahn) i Fric Štrasman (Fritz Srassman) su izveli sličan eksperiment i došli do velikog otkrića. Razdvojili su atom i tako proizveli nuklearnu fisiju. Transformisali su masu u energiju 33 godine posle postavljanja Ajnštajnove teorije.

INFORMACIJE Nuklarna energija, u mirnodopske svrhe, prvi put je bila primjenjena 1954. godine u SSSR-u. Tada je puštena u eksploataciju prva nuklearna elektrana čija je snaga iznosila svega oko 500 kw. Iako je čovjek proizveo prvi nuklearni reaktor prije samo 50 godina, proces fisije se odvijao u unutrašnjosti Zemlje u naslagama uranijuma u Zapadnoj Africi, pre dve milijarde godina.

NUKLEARNI REAKTORI Nuklearna reakcija je, naţalost, prvo iskorišćena za dobijanje nuklearnog oruţja. Tek 1955. godine u Ţenevi je odţana prva meďunarodna konferencija za miroljubivo korištenje nuklearne enrgije. Narednih godina uloţeni su posebni napori za razvoj nuklearnih reaktora. Nukearni reaktori su posebni ureďaji u kojima se odvijaju kontrolisane nuklearne reakcije. Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste uranijumovi izotopi, plutonijum, a ponekad i torijum. Deo energije osloboďene u reakciji, ispoljava se u vidu toplote, koja se moţe odvoditi iz nuklearnog reaktora i iskoristiti za pokretanje raznih toplotnih mašina (npr. parnih turbina). Kako nastaje lančana reakcija?

NUKLEARNI REAKTORI Osnovni delovi svakog reaktora su: nuklerno gorivo, moderator (usporivač), upravljačke šipke, reflektor, sistem za hlaďenje i zaštitni sistem. Nuklerni reaktori mogu biti homogeni i heterogeni. U homogenim reaktorima nuklearno gorivo se nalazi u obliku rastvora ili praha, a u heterogenim reaktorima u obliku posebnih poluga (šipki).

NUKLEARNI REAKTORI * Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u fisionom procesu. Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju fisije. Kao usporivač se primjenjuje grafit, deuterijum (u vidu teške vode), jedinjenja berilijuma itd. * Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se reţim rada reaktora i sprečava pregrevanje reaktora, usled velike količine toplotne energije osloboďene u toku procesa. Najčešće se koriste šipke napravljene od bora ili kadmijuma. * Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese. * Kao sistem za hlaďenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlaďenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora. * Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobaďanja gama-zračenja pa je potrebna zaštita (obično se koristi specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode). Debljina zaštitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi moglo ugroziti ljude oko reaktora. Jedna od najefikasnijih mera je automatizacija i robotizacija rada reaktora.

NUKLEARNO ORUŢJE 6. avgusta 1945. američki avion Enola Gay, ispustio je prvu atomsku bombu na Hirošimu u Japanu. Pri eksploziji je nastradalo preko 140 000 ljudi. 9. avgusta 1945. SAD su ispustile drugu atomsku bombu na japanski grad Nagasaki. Bomba je pala na mesto udaljeno milju od cilja ali je ipak poginulo 75 000 ljudi. Nuklearno oruţje je izgraďeno na principu korišćenja nekontrolisane nuklerne, odnosno termonuklearne reakcije, pri kojoj se u malom vremeskom intervalu oslobode velike količine energije i radioaktivnih produkata. Tipični predstavnici ove vrste oruţja su NUKLEARNA (atomska) bomba i TERMONUKLEARNA (hidrogenska) bomba.

ATOMSKA BOMBA Kao eksploziv nuklearne bombe koriste se izotopi urana 92U 235, torijum 90 Th 232 i plutonijum 94 Pu 239. Taj eklsploziv najčešće čine dva ili više komada nuklearnog materijala, obično u obliku dve polusfere, koje su pre aktiviranja bombe meďusobno razdvojene. Masa svake sfere je manja od kritične mase (oko 20 kg), a zbirna masa je veća od kritične mase. Na taj način se sprečava proces lanačane reakcije sve dok se nuklearna bomba ne aktivira.

ATOMSKA BOMBA * U trenutku aktiviranja bombe delovi nuklearnog eksploziva se dovode u kompaktnu celinu, i počinje proces nekontrolisane nuklearne reakcije (eksplozija bombe). Aktiviranje se vrši pomoću obične eksplozivne supstance (upaljača). Upaljač se nalazi u specijalnom sudu, izgraďenom od metala velike gustine, čiji zidovi sluţe i kao reflektor neutrona. * Prilikom eksplozije nuklearne bombe ispoljavaju se tri osnovna dejstva: 1) Udarno (mehaničko) dejstvo proizvodi talas jako sabijenog vazduha (udarni talas). Udarni talas se kreće radijalno u svim pravcima. Na rastojanjima manjim od jednog kilometra, njegov udar ne mogu da izdrţe ni armirano-betonske graďevine. Pri udaru ţiva bića mogu da zadobiju povrede, neposredno (obaranje), posredno (udarom predmeta koji se ruše), itd. Usled nagle promene vazdušnog pritiska dolazi i do oštećenja čovekovih unutrašnjih organa, potresa mozga, pucanja bubne opne.

ATOMSKA BOMBA 2) Toplotno dejstvo je posljedica toplotnog zračenja uţarene vatrene lopte u kojoj temperatura, u trenutku eksplozije, dostiţe nekoliko desetina miliona kelvina. 3) Brzi neutroni i gama-zraci koji se javljaju pri eksploziji, mogu da budu smrtonosni i do nekoliko kilometara od mesta eksplozije. Ništa manje nisu opasna ni naknadna zračenja (alfa- i beta-čestica) koja ostavljaju teške posledice i na mestima na kojima uopšte nema drugih dejstava. Nagasaki

HIDROGENSKA BOMBA - oslobaďa energiju tokom fuzionog procesa. Struktura hidrogenske (termonuklearne) bombe : u centru se nalazi atomska bomba; okruţuje je omotač od jedinjenja litijuma i deutrijuma; oko ovog omotača se nalazi štit, debeli spoljašni omotač, najčešće napravljen od materijala koji je podloţan procesu fisije, koji drţi sve komponente na okupu da bi se dobila snaţnija eksplozija. Neutroni iz atomske eksplozije prouzrokuju spajanje vodonikovih jezgara dobijanje helijuma, tricijuma i energije. Eksplozija atomske bombe stvara visoke temperature neophodne za proces fuzije, koji sledi, (za spajanje 1 H 2 i 1 H 3 potrebna je temperatura od 50 000 000 C a za spajanje 1 H 3 i 1 H 3, 400 000 000 C).

HIDROGENSKA BOMBA U zoni centra eksplozije, skoro sva prisutna materija, ispari i formira gas pod velikim pritiskom. Pri brzom povećanju pritiska, (daleko većeg od atmosferskog), ovaj gas se širi od centra u obliku jakog udarnog talasa, čija jačina opada kako se udaljava od centra eksplozije. Ovaj talas, koji sadrţi veći deo osloboďene enrgije, je odgovoran za rušilački deo mehaničkog efekta nuklearne eksplozije. Širenje udarnog talasa i njegovi efekti veoma zavise od toga da li se eksplozija desila u vazduhu, pod vodom ili pod zemljom. Primer za procenu jačine ove bombe: jačina svih eksplozija koje su se desile u toku Drugog svjetskog rata, zajedno, iznosi samo" 2 megatona, što je 20% (1/5) jačine jedne hidrogenske bombe!

HIDROGENSKA BOMBA Do sada ni jedna hidrogenska bomba nije iskorišćena u ratne svrhe, ali su vršena nuklearna testiranja ove vrste bombe. Većina ovih testova je vršena pod vodom, zbog rizika od uništenja: Prva termonuklearna bomba - 1952. u mestu Eenewetak u SAD-u, druga 1953. u Rusiji. Velika Britanija, Francuska i Kina su vršile nuklearna testiranja, a oni imaju i mogućnost za proizvodnju ove bombe.tri manje bivše sovjetske drţave koje su nasledile nuklearni arsenal (Ukrajina, Kazahstan i Belorusija) odrekle su se svih bojevih glava, koje su prebačene u Rusiju. Nekoliko drugih drţava je vršilo testiranja ili tvrde da imaju mogućnost da naprave bombe. MeĎu ovim drţavama su Indija, Izrael i Pakistan. Juţnoafrički aparthejd reţim je konstruisao šest nuklearnih bombi koje su kasnije demontirane.

KAKO DEMONTIRATI ATOMSKU BOMBU? Kao prvo i najvaţnije, šansa da se naďeš u situaciji da se ispred tebe nalazi atomska naprava u kojoj otkucava satni mehanizam je stvarno nikakva. Ali ipak, recimo da si postao neki Dţems Bond i da MORAŠ da upotrebiš sve svoje znaje i veštinu da bi deaktivirao atomsku bombu, evo ti nekoliko korisnih saveta:

Redosled demontaţe: 1) Preseci žice koje vode od baterije ili okidača/tajmera do detonatora. Baterija će uvek ličiti na bateriju, a tajmer je onaj ureďaj koji odbrojava unazad. Ali budi oprezan: To je uvek najpipaviji deo bombe i mesto gde se najčešće kriju zamke (ona igra sa crvenom/plavom ţicom polazi baš odavde). 2) Skloni neutronski okidač. To će ti uvek ličiti na neki mali disk ili loptu. Ne pokušavaj da pojedeš to, jer se radi o plutonijumu ili nekom sličnom visokoradioaktivnom materijalu, čiji je posao da izazove lančanu reakciju. Nakon ovog koraka bomba i dalje moţe da eksplodira, ali se neće desiti Hirošima.

3) Ukloni konvencionalni eksploziv. To je prvi deo koji izaziva buuuum. U oruţju koji prave drţave, to će biti neki od tipova IHE (Insensitive High Explosive), i on je prilično bezbedan za rukovanje. Ali u nekim ureďajima kućne radinosti, to bi moglo biti mnogo nestabilnije. Samo ti treba sigurna ruka... 4) Razdvoj mase U-235. To će biti dve male ali veoma teške kriške metala uranovog izotopa. Ako se one suviše pribliţe jedna drugoj, nastala kritična masa će izazvati poplavu zračenja i ti ćeš umreti. Drţeći ih odvojene, svaka od njih će emitovati samo relativno bezazlene alfa čestice sa kriškama ćeš moći da rukuješ čak i bez rukavica ako si ih zaboravio. Svako parče urana stavi u zasebne metalne sanduke i čekaj nekog od zvaničnih organa.