Jádro atomu – maturitní otázka

 

Otázka: Jádro atomu 

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Denisa

 

 

Atomová jádra – skládá se z nukleonů, protonů a neutronů

• X = obecná značka prvků
• Z = protonové číslo
• N = neutronové číslo
• A = nukleonové číslo (hmotností) A= Z+N
• ³¹₁₅P
• Z=15, A=31, N=16, e = 15

 

Z Rutherfordových pokusů vyplívá, že jádro je nositelem kladného náboje, jehož velikost Q je celistvým násobkem z elementárního náboje:

• Q = Z X e
• e= 1,602×10^-19 C
• mp= 1,673×10^-27 kg – hmotnost protonu
• me= 9,109×10^-31 kg – hmotnost elektronu
• mn= 1,675×10^-27 kg – hmotnost neutronu

 

Jádra s různým složením se často liší svými fyzikálními vlastnostmi:

• Mají-li však stejné Z – patří k atomům stejného prvku
  • ³¹₁₅P = stabilní
  • ³⁰₁₅P = radioaktivní
  • Ale oba atomy se chemicky chovají jako fosfor

 

Izotop, Nuklid

• Nuklidy – látky složené z atomů, které mají stejná nukleová a protonová čísla
• Izotopy – mají stejné protonové číslo, různé nukleové číslo (liší se počtem neutronů)
• Téměř všechny prvky mají několik izotopů, takže chemický prvek není z hlediska atomové fyziky stejnorodý
• ¹₁H – lehký vodík P=1, n=0 – protium
• ²₁H – těžký vodík P=1, n=1 – deutrium
• ³₁H – super těžký vodík P=1, n=2 – tritium

 

Hmotnostní úbytek a vazební energir jádra

Jaderné síly

• Nukleony jsou přitahovány jadernými silami
• Vyskytují se pouze v jádru atomu
• Jsou milionkrát větší než síly, kterými jsou přitahovány elektrony k jádru
• Krátkodobé (10^-15m) – působí jen v jádře
• Nezávisí na druhu nukleonu, tj. jaderné síly jsou mezi nukleony stejné – nezávisí na elektrickém náboji

 

Hmotnost jádra 

• Bylo zjištěno že: hmotnost jádra je vždy menší než hmotnost všech částic jádra
• mj < mj‘ = Zxmp + Nxmn

Hmotnostní úbytek B

• Rozdíly počtu klidových hmotností volných částic, z nichž se dané jádro skládá skutečně (experimentálně zjištěno) je hmotnosti tohoto jádra
• B=Dmj
• B= Zxmp + Nmn – mj

 

Vazební energir Ej jádra

• Energie, kterou bychom museli dodat, aby se jádro rozdělilo na Z protonů a N neutronů
• Mezi vazební energii a hmotnostním úbytkem platí vztah
• Ej= Bx c= rychlost světla
• Př. jádro helia ¹₂He
• m= 2x mp + 2mn = 2x 1,673×10^-27 + 2x 1,675×10^-27 = 6,696×10^-27
• ve skutečnosti je mHe = 6,644×10^-27
• čím je hmotnostní úbytek B větší, tím větší je energie, kterou bychom potřebovali k uvolnění protonu nebo neutronu z jádra atomu
• tím lehčí je jádro – tím jsou nukleony pevněji vázány

 

Syntéza a štěpení jader jadernou reakcí

• jaderná reakce je děj, kdy dochází k přeměně jádra vyvolané vnějším zásahem

 

Jaderná reakce

• Při mnohých jaderných dějích se mění částicové složení jader
• = jaderná reakce – přeměna jádra vyvolaná vnějším zásahem (na rozdíl od radioaktivity, kde dochází k přeměně jádra samovolně)
• Jadernou reakci mohou vyvolat částice: alfa, beta, gama, protony i neutrony
• První jaderná reakce v roce 1919 – Ruttherford
• Na levé straně částice, která reakci vyvolá a původní atomové jádro
• Na pravé straně – nové částice a nové jádro

 

Druhy jaderných reakcí

• Z hlediska získání velkého množství energie mají největší význam 2 druhy jaderných reakcích
• Syntéza lehkých jader A < 56
• Syntéza těžkých jader na dvě středně těžká jádra A>200
  • Jaderná energie se tedy uvolňuje při přeměnách, při nichž vznikají středně těžká jádra
  • Z velmi těžkých štěpením
  • Z velmi lehkých syntézou

 

Syntéza lehkých jader

• Termonukleární reakce – například slučování jádra vodíku na jádra helia
• ²₁H + ²₁H = ³₁H + ¹₁H
• Er = -4,03MeV
• Er – energie reakce – je to energie, kterou je nutno dodat k uskutečnění reakce
• Problém – jádra atomu s kladným nábojem se mají k sobě přiblížit až na dosah jaderných sil – brání elektrostatické odpuzování jader. K jeho překonání musí jádro získat velkou energii
• a) Stlačením látky – nerealizovatelné
• b) Zahřátím látky na vysokou teplotu – např. ve velmi horkém plynu – termonukleární syntéza
• Tato syntéza probíhá pomalu při teplotách několik milionů kelvinů uvnitř hvězd nebo ve vodíkové (termojaderné) bombě – plym je úplně ionizovaný, atomy zbaveny elektronů – vzniká směs volných elektronů a jader – plazma
• Řízená termonukleární reakce – zdroj energie
• Neřízená termonukleární reakce – ve vodíkové bombě

 

Štěpení těžkých jader na dvě středně těžká jádra

• 1934 – Ital Ernico Fermi zjistil, že ostřelováním atomu uranu neutrony vzniká mnoho radioaktivních jader
• 1938 při ostřelování neutrony se jádra uranu rozštěpí na dvě středně těžká jádra
• ²³⁵₉₈ U + ¹₀ n = ⁹⁸₃₈ Sr + ¹³⁸₅₄ Xe + 5 (¹₀ n)
• ²³⁵₉₂ U + ¹₀ n = ¹⁴⁴₅₆ Ba + ⁸⁹₃₆ Kr + 3 ¹₀ n

 

Štěpení těžkých jader 

• Probíhá jen v štěpných materiálech ²³⁵₉₂ U
• V přírodě se vyskytuje jediný nuklid uranu
• Přírodní uran je směsí dvou izotopů ²³⁸ U …….99,3 %; ²³⁵ U ….. 0,7 %, ten se získává náročným postupem – pouze ve vyspělých zemí
• Z ²³⁸ U, který není štěpný, je možno v jadernách reaktorech uměle vyrábět další štěpný materiál
• Uvolněné neutrony se mohou účastnit dalšího procesu štěpení – vznik řetězové reakce (uvolní se mnoho energie)
• Ale – některé neutrony uniknou z uranu
  • Některá zasažená jádra se nerozštěpí

 

Střední počet účinných neutronů

• Poměrný počet tech neutronů uvolněných z rozštěpeného jádra, které vyvolá další štěpení
  • K>1 řetězová reakce lavinovitě vzrůstá (jaderné bomby)
  • K=1  řetězová reakce je stacionární, tj. štěpení za 1s je konstantní
  • K<1 řetězová reakce vyhasíná
• Stacionární reakce probíhá v jaderných reaktorech – lze spustit i zastavovat

 

Řízená a neřízený jaderná reakce 

Neřízená jaderná reakce – je-li hmotnost štěpné látky dostatečně velká – větší než tzv. kritická hmotnost

• Probíhá v jaderných bombách
• Energie se vyzáří naráz a obrovské množství

Řízená jaderná reakce – hmotnost štěpné látky je menší než kritická hmotnost

• Energie se uvolňuje pomalu
• Teploty jen při několika stovek stC
• Vzniká radioaktivní odpad
• Probíhá v jaderných reaktorech

 

Jaderný reaktor

• Probíhá řízená řetězová reakce

Palivo:

• ²³⁸₉₂ U – se štěpí při dopadu neutronu (mění se v plutonium, které je rovněž jaderným palivem
• ²³⁵₉₂ U – pohlcuje jen pomalé neutrony, přičemž se štěpí a vysílá sám další elektrony o velkých rychlostech – tyto neutrony je nutno zpomalit (aby se mohly pohlcovat v dalších jádrech)
• To se dělá pomocí tzv. moderátoru – tj. látky obsahující lehká jádra. Pružné srážky mezi neutrony a těmito jádry způsobí zpomalení neutronů
• Grafit, těžká voda

 

Jaderný reaktor se skládá z: 

• Palivové tyče (články) – zadržují produkty štěpení a zabraňují reakci mezi štěpným materiálem a chladivem
• Kovové tyče (obal), ve kterém je štěpný materiál
• Chladící látka – např těžká voda, bývá moderátorem
• Regulační tyče – vyrobeny z materiálu, který silně absorbuje neutrony (bor, kadmium) – slouží k řízení řetězové reakce zasouváním nebo vysouváním do aktivní zóny reaktoru
• Tlaková nádoba reaktoru – reflektor
• Vrstva grafitu obklopující aktivní zónu reaktoru
• Snižuje únik neutronů, neboť je odráží zpět do reaktoru

 

Chlazení reaktoru

• Reaktor je nutné chladit – nejčastěji v jaderných elektrárnách
• Dvoukruhový systém
• Primární okruh – protéká silně radioaktivní látka zahřátá na vysokou teplotu
• Sekundární okruh – začíná ve výměníku, ode odevzdává teplo z primárního okruhu
  • Není již radioaktivní
  • Voda se mění v páru a pohání turbíny

 

Užití jaderného reaktoru 

• Elektrárny – výroba el. Energie
• Pohon velkých lodí – ponorky, ledovce
• Válečné – jaderné bomby

Nevýhody

• Riziko možné havárie s těžko odstranitelnými důsledky
• Vyhořelé palivo, které je dlouhou dobu radioaktivní
• Mezisklady vyhořelého paliva – kontejnment.