Nuklearna fizikaTehnička fizika 2

25/05/2018 Tehnološki fakultet

Nuklearna fizika

• Struktura atomskog jezgra• Prirodne nuklearne sile• Defekt mase i energija veze jezgra• Prirodna radioaktivnost• Zakon radioaktivnog raspada• Nuklearne reakcije, fisija i fuzija• Vještačka radioaktivnost• Transurani• Anihilacija i kreacija para• Detekcija RA• Elementarne čestice• Čestice i antičestice. Kvarkovi• Dozimetrija RA

OSNOVI NUKLEARNE FIZIKE

• Sastavni dijelovi atomskog jezgra su nukleoni:– protoni (pozitivno naelektrisane čestice) i– neutroni (elektroneutralne čestice).

• Za opisivanje nukleona u jezgru uvedena su četiri kvantna broja.• Nukleoni su čestice sa spinom ½ i pokoravaju se Paulijevom principu isključenja (ne mogu postojati dva nukleona u istom energetskom nivou atomskog jezgra sa sva četiri ista kvantna broja).

Jedinice u nuklearnoj fizici

• Iz praktičnih razloga u nuklearnoj fizici koriste se jedinice koje nisu u SI sistemu.

• Atomska jedinica mase u

� = 1,66054 ∙ 10�� kg

• Jedinica energije u nuklearnoj fizici – elektronvolt (eV)

1eV = 1,6 ∙ 10�� J

ATOMSKA MASENA KONSTANTA (ATOMSKA JEDINICA MASE)

- približno jednaka masi jezgre

Masa atoma ugljenika

Atomska masa

Jedinice u nuklearnoj fizici

� =1

12� ��

��

� = 1,66054 ∙ 10�� kg

Atomska masa

Iz relacije eV 931,478

J10945,14 11

=⋅= −E

čestica

elektron

neutron

proton

kg/m

2710672623,1 −⋅

2710674928,1 −⋅3110109389,9 −⋅

0072765,1

0086649,1

410485799,5 −⋅

��

��= 1836,12

� �⁄

� = 1,66054 ∙ 10�� kg� = ���

XA

Z

Protonski broj, broj protona ili redni broj

Atomski broj, broj nukleonaili maseni broj

Simbol hemijskog elementa

A = Z + N

Neutronski broj, broj neutrona

OSNOVI NUKLEARNE FIZIKE

Odnos broja protona i neutrona u jezgru

IZOTOP

...H, H,H, 31

21

11

IZOBAR

– element istog rednog broja Z, a različitog masenogbroja A, odnosno, različitog broja neutrona N

Izotopi (rednog broja 1) vodonika: vodonik, deuterijum, tricijum....

– element istog atomskog broja A,a različitog rednog broja Z

...Li,He, H, 33

32

31

Izobari masenog broja 3

IZOTONI – jezgra sa istim brojem neutrona N

�� � !�"

�

Dimenzije atoma i jezgra

• Dimenzije jezgra su prvobitno procjenjene na osnovu rezultata eksperimenta rasijanjaα – čestica na metalnim folijama (Raderford).

• Preciznije određivanje dimenzije jezgra nakon eksperimenata rasijanja neutrona na jezgrima.

• Jezgro nema ostru ivicu, približno je sfernog oblika, a veličina poluprečnika jezgra zavisi od masenog atomskog broja:

# ≈ 1,2 ∙ %�

& ∙ 10�' m

Dimenzije atoma i jezgra

Osnovne interakcije u prirodi

• Sve interakcije u prirodi se mogu svrstati na četiri osnovne sile:

• Gravitaciona,• Elektromagnetna• Jako nuklearna i• Slaba nuklearna sila

Jaka nuklearna sila

• Između nukleona u jezgru pored odbojne električne sile djeluje i jaka nuklearna sila, koja se suštinski razlikuje od svih do sada poznatih sila u prirodi:

• Izuzetno je jakog intenziteta,• Kratkog je dometa,• Ne zavisi od naelektrisanja,• Nije centralna i• Ima svojstvo zasićenosti (pri promjeni broja

nukleona u jezgru ne mijenja se gustina jezgra).

Osnovne interakcije u prirodi

Jaka nuklearna sila

Spin atomskog jezgra

• Pošto se spinovi nukleona slažu po parovima, spin jezgra, koji se sastoji od parnog broja nukleona (bozoni) je cijeli broj ili nula.

• Jezgra sa neparnim brojem nukleona (fermioni) mogu imati samo polucijele vrijednosti spina.

Defekt mase i energija veze

• Pojava da je masa jezgra u cjelini manja od zbira masa slobodnih nukleona naziva se defekt mase.

• Slobodni nukleoni ulazeći u sastav jezgra, podliježu uticaju jake nuklearne sile i pri tom gube dio energije.

• Prema Ajnštajnovoj formuli gubitak energije znači i gubitak mase.

• Tako se javlja manjak mase atomskog jezgra u odnosu na ukupnu masu nukleona u slobodnom stanju.

• Energija veze je energija koju je potrebno uložiti za razlaganje jezgra, odnosno energija koja se oslobodi pri stvaranju jezgra.

• Što je energija veze veća, veća je i stabilnost jezgra.

( )[ ] 22 cmmZAzmmcE Nnpv −−+=∆=

Defekt mase i energija veze

• Primjer za defekt mase i energiju veze kod jezgra atoma helijuma, koje sadrži dva protona i dva neutrona:

Energija veze jezgra

npN mNmZm +=Masa jezgre

?

npN mNmZm +

npN mNmZBm +=+Maseni defekt (maseni manjak)

Energija veze jezgra

� = )��

Energija veze po nukleonu

• Najstabilnija jezgra imaju jednak broj protona i neutrona.

• Kod masivnih jezgara, energija veze po nukleonu u toj mjeri opadne da je nedovoljna da održi jezgra u stabilnom stanju, pa dolazi do pojave spontanog radioaktivnog raspada..

Energija veze po nukleonu

Maseni broj ASred

nja

en

ergi

ja v

eze

jezg

ra p

o n

ukl

eon

u /

MeV

Elementi za nuklearnu fisiju

Izotopi “Fe grupe” najčvršće vezani

Nuklearna fuzija

Sr. en. vez. po nukl. oko 7 MeV

Sr. en. vez. po nukl. za srednje teške jezgre oko 8,5 MeV

Nuklearne reakcije

Interakcije jezgra sa česticama

bYXa +→+

Česticaprojektil

Konačnojezgro

Početno jezgro(meta)

Izlaznačestica

YbaX ),(

Vrijedi zakon održanja energije

Fisija

.. raspad teških (nestabilnih) jezgara u lakša izazvan sudarmosa neutronom

Primjer: Oslobođena energija: - 212 MeV po jednom jezgru urana- 23 GWh po kilogramu urana

n

nn

n

Fisija (cijepanje) uranovog jezgra

( ) MeVnYXUn 20031 10

1601101307623592

10 +−++→+ −−

Jezgro urana

apsorbujetermalni neutron

U235 Novonastalo jezgro ima viška energije i počinje jako oscilovati

Ovakvo oscilovanje može da stvori uzan “vrat”

Kulonova sila jošviše izdužuje “vrat”

Dešava se FISIJA Fragmenti se razdvajaju uz nastanak još neutrona i energije.

Da li će fisija biti KONTROLISANA ili NEKONTROLISANA zavisi od broja novonastalih neutrona!

Nekontrolisana fisija (A-bomba)

Nuklearne reakcije

Raderford, 1919: HONHe 11

178

147

42 +→+

Kokroft i Volton, 1932: MeVHeHeLiH 1742

42

73

11 ++→+

Vještačka radioaktivnost

Frederik Žolio i Irena Kiri, 1934:

;10

3015

2713

42 nPAlHe +→+

eSiP 01

3014

3015 +→

Fuzija (spajanje) dva jezgra

MeVnHeHH 6,1710

42

31

21 ++→+

Na ovom principu fuzije dva jezgra naše Sunce (i ostale zvijezde) stvara energiju (svjetlost i toplotu). Sunce spaja vodonikove atome i stvara helijum. Ovaj proces će se završiti kada nestane “goriva”, tj vodonika!

Fuzija.. spajanje lakih jezgara u teža

Primjer:

Oslobođena energija:17,6 MeV po reakciji

Zakon radioaktivnog raspada

• Pri spontanom raspadu nestabilnih masivnih jezgara dolazi do emisiječestica i / ili visokoenergetskih fotona – RADIOAKTIVNOG ZRAČENJA.

• Radioaktivnost je otkrio Bekerel 1896. godine.

• RA raspad je slučajan, statistički proces, tj. ne može se tačno predvidjetikoje jezgro će se u kom trenutku raspasti, ali se može odrediti brojjezgara koji će se raspasti poslije određenog vremenskog intervala

Zakon radioaktivnog raspada

Zakon radioaktivnog raspada

toeNN λ−=

τλ

⋅== 693,0693,0

2/1T

Zakon RA raspada definiše broj neraspadnutih jezgara N RA elementa nakon proteklog vremena t.

*- konstanta radioaktivnog raspada

* =+,2

-��&

Vrijeme poluraspada je vremenski interval za koji se raspadne polovina od ukupnog broja radioaktivnih jezgara.

! = !.2/0

Brzina radioaktivnog raspada

% =1!

12=

1

12!.34/ = !.*34/ = *!

Aktivnost je brzina radioaktivnog raspada:

Jedinica za aktivnost je Bekerel.

1)5 = 1#67861

7

Prirodna radioaktivnost

Bekerel, 1896.

Vrste RA zračenja

Prema vrsti zračenja koje se emituje razlikujemo α-raspad, β- raspad i γ- raspad.

Prodornost radioaktivnih čestica?

Emitovano RA zračenje različito prodire kroz materijal.

RA raspad

• Pri RA rasadima jezgara važe opšti zakoni fizike:– ZO mase– ZO energije– ZO impulsa– ZO momenta impulsa

• I još važi i ZO broja nukleona u procesu raspada jezgra.

α- raspad

• Pri α- raspadu se emituje α- čestica, tj. jezgro helijuma, pri čemu se dešava transmutacija jezgra, proces promjene jezgra jednog elementa u jezgro drugog elementa.

• Energija oslobođena u RA raspadu se raspodjeljuje na kinetičku energiju elemenata koji nastaju.

• Za vrijeme α- raspada može se formirati i emitovati i γ-kvant.

Primjer α- raspadaThorium

β- raspad

• Postoje tri vrste β- raspada:– β minus raspad– β plus raspad– K zahvat

• Pri β minus raspadu emituje se β-čestica (elektron) pri čemu se dešava transmutacija jezgra.• Jedan neutron u jezgru se preko djelovanja tzv. slabe nuklearne interakcije, transformiše u proton, pri čemu se emituje elektron i antineutrino.• Antineutrino je čestica veoma male mase, bez naelektrisanja, antičestica neutrina.

Primjeri β- raspada

β plus raspad

• Pri β plus raspadu emituje se β plus čestica (pozitron, pozitivno elementarno naelektrisanje, antičestica elektrona, stvara se u toku raspada) i neutrino.• Jedan proton u jezgru se preko djelovanja tzv. slabe nuklearne interakcije, transformiše u neutron pri čemu se emituje pozitron i neutrino.

Primjeri β plus raspada

K- zahvat

• Pri K zahvatu se jezgro oslobađa viška energije zahvatom elektrona iz atomske orbitale (najčešće K ljuske, glavni kvantni broj n=1), pri čemu se proton iz jezgra transformiše u neutron, a jedina emitovana čestica je neutrino.

Radioaktivni niz

• Radioaktivni niz čine serije radioaktivnih transformacija jezgara, gdje se od jednog jezgra, na kraju niza dospijeva u sasvim drugi, ali stabilni oblik, u vidu drugog hemijskog elementa.• Transurani – radioaktivni niz URANA

Radioaktivni niz urana -Transurani

Radioaktivni niz urana -Transurani

A chain decay involves the radioactive decay of intermediate radioactive daughter atoms that eventually decay to stable daughter such as the decay of 238U to 206Pb.

Radioactive Decay

Processes

Anihilacija (uništenje) para elektrona i pozitrona

νhee 201

01 →+−

Kreacija (stvaranje) para elektrona i pozitrona

eeh 01

01 +→−ν

MeVcmh e 02,12 2 =≥ν

Detekcija radioaktivnog zračenja

Jonizaciona komora

Gajger – Milerov brojač

Vilsonova komora

•Scintilacioni brojači

•Poluprovodnički detektori

•CCD (charged coupled device)

•Nuklearne fotoemulzije

•itd....

Dozimetrija jonizujućeg zračenja

•Apsorbovana dozadm

dED =

•Ekspoziciona dozadm

dQ=Χ

=kg

JGy

kg

C

Za vazduh je kg

CGy 026,01 =

•Jačina apsorbovane doze

•Jačina ekspozicione doze

dt

dDD =ɺ

dt

dΧ=Χɺ

=

⋅=

s

W

skg

J

s

Gy

=

⋅ kg

A

skg

C

•Ekvivalentna doza DQNH = .

=

kg

JSv

•Jačina ekvivalentne dozedt

dHH =ɺ .

=

kg

W

s

Sv

•Efektivna ekvivalentna doza i

i

ie HWH =

•Kolektivna efektivna ekvivalentna doza

=i

iee NHSi

iW - težinski faktori za pojedine organe

iH - ekvivalentne doze za te iste organe