Jaderná fyzika (fyzika atomového jádra) – maturita

 

   Otázka: Jaderná fyzika (fyzika atomového jádra)

   Předmět: Fyzika

   Přidal(a): verunaacek14

 

 

Složení atomového jádra
– jádro je složeno z částic – nukleonu – jejich počet označuje nukleonové číslo – A (A = Z+N)

 

Nukleony

• částice v jádře (protony i neutrony)
• nukleony se dělí na:
  • Neutron
    • bez náboje
    • hmotnost m_n = 1,0087 m_u = 1,675*10^-27 kg
  • Proton
    • kladný náboj
    • hmotnost  m_p = 1,0073 m_u = 1,673*10^-27 kg

 

• hmotnosti protonu a neutronu jsou řádově srovnatelné, hmotnost elektronu je mnohonásobně menší
• nukleony jsou vázány v jádře jadernými silami, vlastnosti sil: přitažlivé bez ohledu na náboj, krátký dosah, jeví stav nasycení

Protonové a neutronové číslo

• Protonové číslo
  • počet protonů v jádře
  • informuje o náboji jádra (Z.e)
  • značka: Z
• Neutronové číslo
  • počet neutronů v jádře
  • značka: N

 

Nukleonové číslo

• počet nukleonů v jádře
• informuje o hmotnosti jádra (A.m_u)
• značka: A  -> A = Z + N

 

Nukleony

• Neutron
  • ve volném stavu nestabilní – přeměňuje se na proton (+elektron a antineutrino)
• Proton
  • jestliže jádru atomu dodáme energii může se proton přeměnit na neutron (+pozitron a neutrino)

 

Vazebná energie jádra

• mezi nukleony působí jaderné síly (>> elektrostatické)
• = práce, kterou je třeba vykonat, aby jádro bylo rozčleněno na jednotlivé nukleony
• = energie, která by se uvolnila při vzniku jádra z jednotlivých nukleonů

 

Hmotnostní schodek

• Podle ΔE=Δmc² odpovídá změně vnitřní energie změna hmotnosti
• = rozdíl mezi celkovou hmotností nukleonů a skutečnou hmotností jádro, z nichž je složeno

 

Vazebná energie jádra

• hmotnost at. Jádra, vždy menší než klidová hmotnost jednotlivých nukleonů
• u jednotlivých nuklidů se liší

 

Radioaktivita

= schopnost některých atomových jader vysílat záření
–přirozená – radioaktivní prvky běžně se vyskytující v přírodě
–umělá – radioaktivní prvky umělé vyrobeny jadernými reakcemi

• radius – paprsek, activitas – činnost (z lat.)
• objevena 1896
  • Henry Becquerel
  • při studiu fluorescence uranové soli
• 3 druhy záření (a, b, g)
  • liší se např. schopností pronikat látkou, chováním v magnetickém poli

 

Záření α

• svazek rychle letících jader atomů helia (kladný náboj)
• ­rychlost ® silné ionizační účinky (než se zabrzdí vytvoří 10⁵ iontů ve vzduchu)
• pohlcuje se listem papíru, oděvem, ve vzduchu se pohltí po uběhnutí několika cm

 

Záření β^–

• proud elektronů, které vyletují z jádra
• rychlost se blíží rychlosti světla
• elektrony vznikají v jádře přeměnou neutronu
• pohlcuje se tenkým hliníkovým plechem, plexisklem

 

Záření β⁺

• tvořeno kladně nabitými pozitrony (antičástice elektronu)
• vyzařováno některými umělými radionuklidy při jaderných přeměnách
• vzniká v jádře přeměnou protonu

 

Záření g

• elektromagnetické záření o velmi malé λ
• nejpronikavější
• lze oslabit silnou vrstvou materiálu obsahujícího jádra těžkých kovů (olovo, beton,…)

 

a, b, g v magnetickém poli

• a, b⁺ – Fleming. pravidlo levé ruky
• b^– – Fleming. pravidlo pravé ruky
• a menší zakřivení než b
  • způsobené ­ hmotností
• g se nevychyluje
  • vlnění

 

Poločas přeměny

• značí se T
• doba, za kterou se rozpadne polovina původního počtu jader

 

Aktivita radioaktivního zářiče

• značka: A, jednotka: Bq (becquerel)
• = počet nepřeměněných jader v daném okamžiku
• 1 Bq – 1 přeměna za 1 s

 

Zákon radioaktivních přeměn

N = N₀e ^–(ln2/T)*t

A = A₀e ^–(ln2/T)*t

Λ = ln2/T

N = N₀e^{– Λt}

A = A₀e^{– Λt}

• N – počet jader v čase t
• N₀ – počet jader na počátku (t=0)
• e – Eulerovo číslo (2,71…)
• λ – přeměnová konstanta (relativní úbytek jader za 1 s)

 

Další veličiny

• Dávka – energie záření, kterou pohltí ozářený lidský organismus
  • Jednotka: Gy (grey)
• Dávkový ekvivalent – jak nebezpečnému záření byl člověk za určitou dobu vystaven
  • Jednotka: Sv (sievert)

 

Vazebná energie jádra

• vazebná energie na 1 nukleon
• ἐ_j = Ej/A

 

Jaderné reakce

• jaderná přeměna vyvolaná vzájemným působením (srážkou) s jinými jádry nebo částicemi
• platí zákony zachování (energie, hybnosti, hmotnosti, elektrického náboje)

 

Příklady jaderných reakcí:

• Jaderná syntéza
  • spojováním lehčích jader vznikají jádra těžší (stabilnější)
  • uvnitř hvězd
  • jde jen po Fe
  • např.: (uvolní se 3,27 MeV)
• Jaderné štěpení
  • štěpením těžkých jader vznikají stabilnější jádra těžší
  • využití v jaderné energetice
  • uvolní se další 3 neutrony → další štěpení → řetězová reakce

 

Neutronové zařízení

• proud rychle letících neutronů
• lze získat ze zdrojů v nichž probíhají jaderné reakce za vzniku neutronů (např. jaderné reakce)
• vysoká pronikavost
• k ochraně je třeba materiál s lehkými prvky (voda, těžká voda, parafín,…)

 

Částice

• nestabilní (doba života 10^-6 – 10^-23 s)
• vytváří se při srážkách mezi protony nebo elektrony urychlenými na vysoké energie v urychlovačích (Např. CERN v Ženevě)