Download Fizika Jezgre- Nuklearna Fizika PDF

TitleFizika Jezgre- Nuklearna Fizika
File Size233.7 KB
Total Pages16
Table of Contents
                            E=8,5 MeV (96+140) - 7,6 MeV 236 = 212 MeV
                        
Document Text Contents
Page 1

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET
SARAJEVO



INŽENJERSKA FIZIKA II



16. FIZIKA JEZGRE (NUKLEARNA FIZIKA)

16.1. Sastav i karakteristike atomske jezgre

Rutherfordovi i drugi eksperimenti pokazali su da se atom sastoji od jezgra, po
dimenziji mnogo manje od atoma ali s gotovo cjelokupnom masom atoma. Jezgro je
sastavljeno od protona i neutrona, koje jednim imenom zovemo nukleoni. Najvažnije osobine
jezgre su njena masa i naboj. Naboj jezgre Ze određen je brojem protona Z, dok ukupni broj
protona i neutrona određuje maseni broj jezgre A. Jezgra određenog elementa karakterizira
broj protona Z i zove se redni broj elementa dok broj neutrona, N=A-Z, može varirati a da se
pri tome ne mijenjaju kemijska svojstva elementa.

Masa nuklida praktično je jednaka masi atoma, jer je masa elektronskog omotača
zanemariva. Atomske mase se izražavaju u atomskim jedinicama mase (1 ajm). Atomska
jedinica mase jednaka je 1/12 mase atoma ugljika 6C12 , tj.:


1 1
1

12
1 106

12 27ajm u masa atoma C kg,66063



U nuklearnoj fizici je uobičajeno da se mase izražavaju u jedinicama energije, prema
relaciji E=mc2. Tako dobivamo za atomsku jedinicu mase ekvivalent izražen u
elektronvoltima:

1 9312m c MeVu ,478 (16.1.)

Proton (p) nije ništa drugo nego jezgra vodikovog atoma. Ona ima naelektrisanje (+e)
i masu izraženu u jedinicama energije1:

m Mp �� ,938 2 eV

eV

eV



(16.2.)

Masa elektrona izražena u istim jedinicama iznosi:

m Me �� ,0 511 (16.3.)

Neutron (n) naziva se čestica bez električnog naboja i s masom:

m Mn �� ,939 5 (16.4.)


1 Uobičajeno je u nuklearnoj fizici, mase čestica izražavati ne u masenim već u
energetskim jedinicama.



1

Page 2

vrlo bliskom masi protona. Razlika u masi neutrona i protona mn-mp iznosi 1,3 MeV. Neutron
kao i proton imaju spinski kvantni broj s=1/2.

U slobodnom stanju neutron je nestabilan (radioaktivan) i on se spontano raspada,
pretvarajući se u proton i emitirajući elektron (e-) i još jednu česticu koja se naziva
antineutrino ( ~ ).


Raspad protona može se prikazati na slijedeći način:

n p e v~ (16.5.)

Masa mirovanja antineutrina jednaka je nuli. Masa neutrona, kao što smo vidjeli, veća
je od mase protona za 1,3 MeV ili za 2,5 me. Prema tome, masa neutrona je veća od ukupne
mase čestica koje figuriraju na desnoj strani jednadžbe (16.5.) za 1,5 me odnosno za 0,77
MeV. Ta energija se oslobađa pri raspadu neutrona u obliku kinetičke energije čestica koje se
obrazuju.

Za označavanje jezgri obično se koristi simbol:


Z
AX


gdje se pod X podrazumijeva kemijski simbol danog elementa. Desno gore stavlja se maseni
broj A, lijevo dole atomski (redni) broj Z.

Većina kemijskih elemenata ima nekoliko različitih varijeteta, koji se razlikuju u
masenom broju i zovemo ih izotopi. Tako npr. vodik ima tri izotopa:

1H1 - obični vodik, ili protij (Z=1, N=0)
1H2 - teški vodik (D) ili deuterij (Z=1, N=1)
1H3 - tricij (T) (Z=1, N=2)


Kisik imat tri stabilna izotopa: 8O16, 8O17, 8O18, olovo deset itd.

Izotopi su jezgre sa istim brojem protona Z. Jezgre sa jednakim masenim brojem A
nazivaju se izobare. Kao primjer mogu se navesti jezgre 18Ar40 i 20Ca40. Jezgre sa istim
brojem neutrona N=A=Z nazivaju se izotoni (npr. 6C13, 7N14). Postoje također radioaktivna
jezgre sa jednakim Z i A, koja se razlikuju periodom poluraspada. Takve jezgre nazivaju se
izomeri.

Jezgra je oko 104 - 105 puta manje od atoma. Eksperimentima raspršenja nukleona na
jezgrama određen je radijus jezgre:

R r A0

1 3/ (16.5.)

gdje je A maseni broj, a ro konstanta za sve jezgre i iznosi oko 1,2 10-15 m. Srednja gustoća
nuklearne materije iznosi 2 1017 kg/m3, što iznosi za 1014 puta veću gustoću od gustoće
materijala i ne ovisi o vrsti nuklida.




2

Page 8

16.5. Zakon radioaktivnog raspada

Trenutak spontanog raspada jezgre nekog radioaktivnog izotopa je nemoguće
predvidjeti, ali se može odrediti vjerojatnost tog raspada u toku određenog vremenskog
intervala. Prema tome, radioaktivni raspad je statistički proces, koji se pokorava zakonima
vjerojatnost. Brzina kojom se raspada radioaktivni materijal naziva se aktivnost i jednaka je
broju raspada u jedinici vremena dt:


A
dN
dt



(16.19.)


Znak minus označava da se broj raspada u toku vremena smanjuje. Aktivnost se
mijenja sa vremenom i proporcionalna je broju nestabilnih jezgri N(t):


A N t (16.20.)


8

Page 9

gdje je λ konstanta raspada i karakteristika je pojedinog radioaktivnog elementa. Iz relacija
(16.19.) i (16.20.) slijedi diferencijalna jednadžba:


( )dN N t dt= −λ (16.21.)

koja daje broj raspada za vrijeme dt u trenutku t. Integracijom izraza (16.21.) dobiva se:


ln N t= − + Cλ (16.22.)

gdje je C-integraciona konstanta. Za t=0, dobivamo da je C=ln No pa je,


N N e t= −0
λ (16.23.)


gdje je No broj jezgara u momentu t=0, a N broj ne raspadnutih jezgri do trenutka vremena t.
Relacija (16.23.) predstavlja zakon radioaktivnog raspada.

Ako je Ao po etna aktivnost uzorka:


A
dN
dt

N0
0

0= −






⎟ = λ


(16.24.)


Vrijeme poluraspada (poluživota) T1/2 predstavlja onaj vremenski interval u kojem
se raspadne polovina atoma radioaktivnog elementa. Uvrstivši t=T1/2 i N=No/2 u relaciju
(16.23.) dobivamo da je vrijeme poluraspada jednaka:


T1 2
2 0 693

/
ln .

= =
λ λ



(16.25.)


Grafi ki prikaz zakona radioaktivnog raspada dat je na slici 16.4.







9

Page 15

2
3

2
3

2
4 2He He He p+ → + (16.32.)


tj. formiranjem jezgre helija i dva protona.

Na višim temperaturama ve u vjerojatnost ima jedna druga termonuklearna reakcija,
tzv. Uglji no-duši ni ciklus. Kona ni rezultat svih etapa ovog ciklusa je obrazovanje jezgri
helija. Ovakvim termonuklearnim fuzionim reakcijama na Suncu (i zvijezdama) dolazi do
smanjenja koli ine vodika i pove anje koli ine helija. Me utim, obzirom na postoje e
koli ine vodika može se o ekivati da e se tokom slijede ih nekoliko milijardi godina ove
nuklearne reakcije odvijati skoro nesmanjenim intenzitetom.


16.9. Kontrolirana fuzija

Na Zemlji je fuziona energija dobivena samo u veoma kratkotrajnim eksplozijama
hidrogenskih bombi. Me utim, ovo su nekontrolirane fuzione reakcije.

Kontrolirane termonuklearne reakcije, bi e mogu e ostvariti tek onda, kada se u
laboratorijskim uvjetima ostvare uvjeti sli ni onima koji vladaju u zvijezdama. Kontrolirana
fuzija, pružit e ovje anstvu neiscrpan izvor iste i jeftine energije. Na primjer, pri fuziji
deuterija, koji je sadržan u 1 litri obi ne vode, oslobodilo bi se isto toliko energije koliko se
dobije sagorijevanjem oko 350 litara benzina.

Kao sirovinu za kontroliranu fuziju treba koristiti deuterij i tricij, ije su zalihe u
oceanima neiscrpne. Posebno su interesantne ove reakcije koje se mogu ostvariti u
ionizovanoj vreloj plazmi vodika:


2
3

1
2

1
2

1
3

1
3

1
3

2
4

3 25

4 0
17 6

He n MeV
H H

H p MeV
H H He n MeV

+ +

+

+ +

+ → + +

,

,
,






(16.33.)


U hidrogenskoj bombi termonuklearna reakcija ima nekontroliran karakter. Za
ostvarivanje kontrolirane termonuklearne reakcije potrebno je dosti i i održavati u nekoj
zapremini temperaturu reda veli ine 108 K. Na tako visokoj temperaturi supstanca predstavlja
potpuno ionizovanu plazmu. Za ostvarivanje kontrolirane termonuklearne reakcije postoje
ogromne teško e. Pored toga što je potrebno ostvariti vosku temperaturu, problem je
održavanje plazme u zadanoj zapremini. Dodirivanje plazme sa zidovima suda dovodi do
njenog hla enja. Osim toga, zidovi od bilo kakvog materijala na takvoj temperaturi bi brzo
isparili.

Problem izolacije plazme pokušava se riješiti tzv. magnetnom termoizolacijom. kada
se kroz smjesu lakih gasova propusti veoma jaka elektri na struja, dolazi do slijede ih pojava:
a) uslijed intenzivne ionizacije dolazi do stvaranja plazme, b) plazma se zagrijava na ra un
izdvojene toplotne energije i c) dolazi do formiranja plazmenog stuba oko uzdužne ose.
Magnetno polje elektri ne struje djeluje na svaku naelektriziranu esticu, koja se kre e duž
plazmene niti, Lorentzovom silom F.., uslijed ega plazmeni stup biva odvojen od zidova
suda i koncentrira se oko uzdužne ose suda, (slika 16.9a).





15

Page 16

Pojava sažimanja plazmenog sloja u magnetskom polju poznata je kao "pin efekt".
Na žalost, plameni sloj pokazao se veoma nestabilan, slika 16.9b. Suvremeni plameni reaktori
ostvarili su plameni stup u veoma kratkom vremenu (djeli i sekunde). Pored toga postignute
temperature plazme su niske (106 K), a plameni stuba je nedovoljno stabilan tako da se brzo
izgubi termoizolacija i stuba se raspada.

U posljednje vrijeme, uspjelo se dobiti supervisoke temperature (108 K) unutar male
zapremine, fokusiranjem snažnog laserskog snopa i time ostvariti termonuklearnu reakciju ali
u vrlo kratkom vremenu.

Možemo na kraju, s žaljenjem zaklju iti da je termonuklearna reakcija još uvijek
daleko od tehni kih rješenja koja bi omogu ila njenu eksploataciju kao jeftinog, istog i
neiscrpnog izvora energije.

Iz ovih razloga veliki broj nau nika razvijenog svijeta radi na rješavanju ovog
problema, jer fuzionog goriva deuterijuma i tricijuma ima u neograni enim koli inama na
našoj planeti.




16

Similer Documents