Maturski fizika

Treća gimnazija Sarajevo

MATURSKI RAD IZ FIZIKE

Tema:Atomska bomba

Predmetni profesor: Učenik:

X,Y,Z Z,X,Y

Sarajevo, 2013. godine

Maturski rad Atomska bomba

Sadržaj

1. UVOD 4

1.1. VAŽNIJI NAUČNICI 5

2. GRA ĐA ATOMSKOG JEZGRA 7

2.1. ENERGIJA VEZE U JEZGRI 9

2.2. MEĐUDJELOVANJE NUKLEONA U JEZGRI 10

3. NUKLEARNE REAKCIJE 11

3.1. JAKA NUKLEARNA SILA (REAKCIJA) 13

4. RADIOAKTIVNOST 14

4.1. ALFA-RASPAD 15

4.2. BETA-RASPAD 15

4.3. GAMA-ZRAČENJE 16

5. FISIJA 17

5.1. ATOMSKA LANČANA REAKCIJA 18

5.2. ZNAČAJ FISIJE 22

5.3. PLUTONIJ 23

6. POSLJEDICE ATOMSKIH NESREĆA 24

6.1. ČERNOBILSKA NESREĆA 24

6.2. HIROŠIMA I NAGASAKI 25

7. NOVA OTKRIĆA 26

7.1. EMP (ELEKTROMAGNETNI PULS) 26

7.2. MINI-ATOMSKE BOMBE 26

Firdus Faruk IV7 2


8. ZAKLJUČAK 27

9. LITERATURA 28

Firdus Faruk IV7 3


1. Uvod

Atomska bomba jedno je od najrazornijih vrsta oružja. Njen rad bazira se na principu

nuklearne fisije. Prva je atomska bomba izgrađena tokom Drugog svjetskog rata kroz tajni projekt

američke vlade, zvani Manhattan, u kojemu su učestvovali najbolji fizičari tadašnjeg svijeta.

Postoje dva osnovna tipa nuklearnog oružja. Prvi su oružja koja proizvode svoju eksplozivnu

energiju samo putem reakcija nuklearne fisije. U fisijskom oružju, masa fisibilnog materijala

(obogaćeni uranijum ili plutonijum) je sklopljena u superkritičnu masu1, bilo izbacivanjem jednog

dijela subkritičnog materijala prema drugom, ili kompresijom subkritične mase hemijskim

eksplozivima, prilikom čega se ubrizgavaju neutroni i reakcija počinje. Glavni izazov u svim

konstrukcijama atomskog oružja je osiguravanje da se značajan dio goriva iskoristi prije nego što

oružje uništi samo sebe. Količina energije koju oslobode fisijske bombe može imati opseg između

ekvivalenata manjih od tone TNT-a prema gore, do oko 500 000 tona (500 kilotona) TNT-a.

Slika 1.

1Superkritična masa - količina materijala potrebna da započne eksponencijalni rast nuklearne lančane reakcije.

Firdus Faruk IV7 4


1.1. Važniji naučnici

Antoine-Henri Becquerel (1852-1908), francuski fizičar - Poslije Rentgenovog

otkrića x-zraka 1895, njihova izučavanja nastavio je Francuz Becquerel i već 1896. utvrdio

njihovu radioaktivnost, čime je otvorio novu oblast izučavanja za mnoge istraživače.

Pierre Curie (1859-1906), francuski fizičar - Od 1898. radio je zajedno sa svojom

suprugom Marie na ispitivanju radioaktivnosti elemenata i utvrdili su da zraci koje emituje

radijum sadrže elektropozitivne, elektromagnetne i neutralne čestice. Ovo otkriće donijelo im

je Nobelovu nagradu iz fizike 1903. koju su podijelili Pierre i Marie Curie sa Antoineom

Becquerelom.

Marie Curie (1867-1934), francuska fizičarka

Ernest Rutherford (1871-1937), novozelandski fizičar

Mileva i Albert Einstein: Mileva (1875-1948), Einstein (1879 -1955), švicarski

fizičari - Srpkinja Mileva Marić rođena je u Titelu, Vojvodina, a njen suprug Albert Einstein u

Ulmu, Njemačka. Albert Einstein je 1905. publikovao tri rada iz teorijske fizike, uključujući i

teoriju relativiteta, ali samo pod svojim imenom. Zakon masa energija, iskazan je formulom E

= m x c2 (energija je jednaka proizvodu mase i kvadrata brzine svjetlosti), što će postati temelj

razvoja nuklearne energije. Albertu je dodijeljena Nobelova nagrada iz fizike za 1921. godinu.

Lise Meitner (1878-1968), austrijska fizičarka - Zajedno sa svojim sestrićem Otom

Frišom razradila je proces atomske fisije (cijepanja atoma), što će kasnije postati veoma

važno otkriće u nuklearnoj fizici.

Niels Bohr (1885-1962), danski fizičar - Niels Bohr se smatra jednim od najboljih

teoretičara atomske fizike. Godine 1922. dobio je Nobelovu nagradu iz fizike, a 1943.

otputovao je u Ameriku. Od tada je radio u Los Alamosu na projektu atomske bombe. Godine

1955. u Ženevi je organizovao prvu konferenciju na temu „Atomi za mir“.

Firdus Faruk IV7 5


Arthur Compton (1892-1962), američki fizičar - Dobio je Nobelovu nagradu iz fizike

za 1927. godinu, zajedno sa Charlesom Wilsonom, za rad o talasnim dužinama rasutih fotona.

Compton je postao vodeći fizičar u oblasti nuklearne energije, x-zračenja i proizvodnje

plutonijuma. Godine 1941. Vlada SAD-a zamolila ga je da proizvede plutonijum za atomsku

bombu, čime je postao jedan od glavnih izvršilaca Mannhattan projekta. Godine 1942. u

Čikagu je napravio prvi nuklearni reaktor, zajedno sa atomskim fizičarom Enricom Fermiem.

Frederic i Irene Joliot-Curie: Frederic (1900-1967), Irene (1897-1956), francuski

fizičari. - Oboje su radili na radioaktivnosti i transmutaciji elemenata.

Enrico Fermi (1901-1954), američki fizičar - Otkrio više novih radioaktivnih izotopa,

što mu je donijelo Nobelovu nagradu iz fizike 1938.

Robert Oppenheimer (1904-1967), američki fizičar - Postavljen za direktora

Mannhattan projekta u Los Alamosu, za proizvodnju atomske bombe.Dodjeljena mu je

Fermijeva nagrada.

Većina ovih naučnika učestvovala je u Mannhattan projektu koji je nastao u Americi i

služio razvoju atomske bombe. Nakon prvog testa atomske bombe mnogi naučnici su uvidjeli

njeno negativno djelovanje i napustili su ovaj projekt, nakon čega su bili ispitivani od strane

vladinih agenata. Međutim, ostatak naučnika je tražilo dozvolu predsjednika Trumana da

nastave sa radom, što im je on i dozvolio.

Firdus Faruk IV7 6


2. Građa atomskog jezgra

Nukleus ili jezgro atoma je građeno od dvije vrste elementarnih čestica: protona i

neutrona, koji se jednim imenom nazivaju nukleoni. Protoni i neutroni predstavljaju dva

stanja nukleona.

Proton p je nukleon pozitivnog naelektrisanja i po veličini i broju jednak je elektronu.

Broj protona u jezgru se naziva atomski broj. Oznaka za atomski broj je Z. Do promjene

identiteta atoma dolazi kada se promjeni broj protona u jezgru. U prirodi se sreću elementi sa

atomskim brojem od Z=1 do Z=92. Atomski broj Z=92 je za uran, međutim u laboratorijama

je proizveden transuranski element neptunij Np Z=93, plutonij Pu Z=94 itd.

Za razliku od slobodnog protona, neutron n je u slobodnom stanju nestabilna

radioaktivna čestica. Neutron se spontano raspada na proton, mion i elektronski antineutrino:

Vrijeme trajanja slobodnog neutrona je 15 minuta. Ukupan broj nukleona u jezgru

označava se sa A i naziva se maseni broj, jer određuje masu jezgra.

A = Z + N

Identitet jezgra je određen atomskim i masenim brojem. Za dati atomski broj Z maseni

broj A može biti različit, broj protona se može vezati za različit broj neutrona, a da pri tome

ostanu sačuvane hemijske osobine.

Firdus Faruk IV7 7


Takve atome gdje je atomski broj različit od masenog nazivamo izotopi. Poznata su tri

izotopa vodika: vodik, deuterij i tricij, dva izotopa helija, tri izotopa urana itd. Danas je

poznato preko 1000 od kojih se mnogi dobivaju vještačkim putem pomoću nuklearnih

reakcija. Atomi koji imaju isti maseni broj tj. koji imaju isti broj neutrona nazivaju se izobari.

Masa protona i neutrona puno je veća od mase elektrona, prema tome masa nekog elementa je

približno jednaka masi njegovog jezgra. Iako je masa atoma koncentrisana u jezgru, volumen

jezgra je 1*1012 puta manji od volumena atoma. Ako bismo atom zamislili kao loptu prečnika

10 metara, jezgro bi bilo prečnika 1 milimetar. Spin protona i neutrona je 1/2, što znači da

nukleoni spadaju u fermione. Mali volumen jezgre uzrokuje da je gustoća jezgre ogromna.

Gustoća jezgre iznosi 130 000 000 t/cm3. Pored velikog volumena jezgre protoni i neutroni se

drže jakim nuklearnim silama po čemu je i samo jezgro dobilo ime nukleus.

Slika 2.

Firdus Faruk IV7 8


2.1. Energija veze u jezgri

Energija veze Ev jednaka je radu koji treba izvršiti da se jezgro razloži na nukleone.

Razložiti jezgro na nukleone znači razmaknuti nukleone na rastojanje na kojem neće biti

međudjelovanja. Najjednostavnije je razložiti jezgro nekog elementa na neutrone ako se gađa

visokoenergetskim fotonima čija minimalna energija mora biti jednaka energiji veze neutrona

u jezgru. Masa atomskog jezgra je uvijek manja od mase zbira nukleona u jezgru, a to je

defekt mase. Energija defekta mase jednaka je energiji koja je potrebna da bi se jezgro

razgradilo na nukleone.

Energija veze Ev/A je specifična energija veze i zavisi od masenog broja A. Specifična

energija veze se može izračunati za svako jezgro. Što je energija veze veća to je i jezgro

stabilnije i potrebna je veća energija da bi se razložilo. Najjače vezani nukleoni su sa

masenom brojevima od 50 – 60 i to su : Hrom, Mangan, Kobalt, Nikl, Željezo, Cink i Bakar.

Specifična energija veze tih jezgara dostiže čak do 8,7 - 8,8 MeV po jednom nukleonu.

Slika 3.

Firdus Faruk IV7 9


2.2. Međudjelovanje nukleona u jezgri

Većina jezgri atoma su stabilne, razlog tome je što u jezgri postoje jake nuklearne sile,

tzv. nuklearno međudjelovanje, koje drži nukleone na okupu unutar nukleusa. Raznim

eksperimentalnim putevima došlo se do osobina nuklearnog međudjelovanja. Te osobine su:

1. Nuklearna međudjelovanja kratkog dosega. Na rastojanjima od 0,4 x 10-15 m do 2 x

10-15 m nuklearno međudjelovanje je privlačno i mnogo jače od elektromagnetskog

međudjelovanja. Na rastojanju od 2 x 10-15 m nuklearno međudjelovanje prestaje,

ali na rastojanju od 0,4 x 10-15 m međudjelovanje nukleona je odbojno. Da je doseg

nuklearnog međudjelovanja veći, on bi uticao na stvaranje molekula, međutim za

stvaranje molekula su odgovorne elektrostatičke sile.

2. Sile nuklearnog međudjelovanja su 100 puta jače od elektrostatičkih i 1x1040 puta

jače od gravitacionih sila između nukleona.

3. Od električnog naboja nukleona ne zavisi nuklearno međudjelovanje. Međutim

nuklearno međudjelovanje je jače između neutrona i protona, nego između dva

protona. Razlog toga je što između dva protona postoje odbojne sile kao posljedica

pozitivnog naboja čestica. Neutroni su čvršće vezani u jezgru nego protoni i

njihovo pristustvo povećava stabilnost jezgra, a najstabilnija su jezgra sa jednakim

brojem protona i neutrona (N=Z). Da bi se proton približio jezgru potrebno je prvo

savladati odbojne sile prije nego što uđu u nuklearno međudjelovanje. Međutim,

neutroni nemaju nikakvog naboja tako da na njih ne djeluju elektrostatičke sile i

veoma lako i sporo neutroni mogu da izazovu nuklearnu reakciju.

4. Zbog kratkog međudjelovanja nuklearnih sila nukleoni u jezgru ne djeluju sa svim

nukleonima u jezgru nego samo sa onim najbližim.

5. Od orijentacije spinova nukleona zavisi i nuklearno međudjelovanje. Energija dva

nukleona sa antiparalelnim spinom je različita od energije nukleona sa paralelnim

spinom.

Firdus Faruk IV7 10


3. Nuklearne reakcije

Pod pojmom nuklearna reakcija podrazumijeva se transformacija atomskog jezgra

izazvana sudarom sa nekom lakom česticom. Najčešće se u nuklearnoj reakciji dobija novo

jezgro i jadna laka čestica. Nuklearne reakcije su bitne za dobijanje novih izotopa i lakih

čestica za proizvodnju nekih radioaktivnih izotopa, odnosno za dobijanje energije.

U eksperimentalnim uslovima, jezgro koje stupa u reakciju obično miruje, a čestica

koja se sa njim sudara najčešće se ubrzava. Zato se jezgro zove meta, a čestica kojom se

bombarduje jezgro je projektil. Neke nuklearne reakcije mogu se desiti samo ako projektil

ima jako veliku brzinu u odnosu na jezgro, pa se tada ubrzavaju i meta i projektil. Kao

projektili obično se koriste protoni, neutroni, fotoni, deutroni i alfa-čestice.

Za prikazivanje nuklearnih reakcija koriste se dva oblika zapisa. Ako je A jezgro meta,

alfa-čestica projektil, a u reakciji se dobivaju jezgro B i laka čestica b, zapis nuklearne

reakcije je:

X+a →Y +b ili a ( X , Y ) b

Proces odvijanja nuklearne reakcije nije jednoznačan. Ako u reakcije stupaju isto

jezgro (meta) i ista čestica (projektil), produkti reakcije ne moraju biti isti.

Toplotni efekat nuklearne reakcije određen je defektom mase u reakciji i predstavljen

je relacijom:

∆ E=∆ mc2=[ ( mX +ma )−( mY +mb ) ]c2

U ovoj relaciji su: mx, ma, my, ma mase jezgara X i Y i lakih čestica a i b. Ako je ∆E >

0, onda se pri reakciji oslobađa energija, a ako je ∆E < 0 tada se pri reakciji energija

apsorbira.

Prvu nuklearnu reakciju ostvario je E. Rutherford 1919. Godine. On je alfa-česticama

gađao atome azota 147N. Kada alfa-čestica pogodi jezgro azota, nastaje jezgro izotopa kisika

178O uz emisiju protona.

Firdus Faruk IV7 11


Prvu reakciju sa vještački ubrzanim protonima izveli su J.Cockroft i E.Walton 1932.

godine. Oni su protonima energije do 0,6 MeV gađali atome litija 73Li. Kada proton pogodi

jezgro litija, nastaju dvije alfa-čestice, pri čemu se oslobodi energija. U jednoj reakciji iste

godine J. Chadwick je otkrio neutron. Nakon otkrića neutrona, posebno značajne postaju

reakcije u kojima se neutronima gađaju jezgra. Za razliku od naelektrisanih čestica, neutroni

se moraju savladavati elektrostatičkim odbijanjem, te mogu da se približe jezgru i kada imaju

malu energiju. Energija koju dobije jezgro putem neutrona gubi se u procesu emisije gama-

fotona ili alfa-čestice.

Slika 4.

Firdus Faruk IV7 12


3.1. Jaka nuklearna sila (reakcija)

Jaka nuklearna sila ili jaka sila je fundamentalna sila koju prenose gluoni, a djeluje na

kvarkove, antikvarkove i same gluone. Njena posljedica je i privlačenje između nukleona, tzv.

Rezidualna jaka atomska sila koju prenose mezoni.

To je najmoćnija sila u prirodi. Jača je od elektromagnetne sile i zbog nje se protoni

drže zajedno u jezgrama atoma. Djeluje samo na vrlo malim udaljenostima. Kod teških atoma

jezgra se raspada jer je elektromagnetska sila koja razdvaja čestice istog naboja kao ukupan

zbir sila svih prisutnih protona i nadjačava rezidualnu jaku nuklearnu silu koja djeluje samo

na susjedne čestice (protone i neutrone) i drži ih skupa. Neutroni su ovdje samo posrednici

koji onemogućavaju direktan kontakt između protona. Ako su dva nukleona udaljena više od

2*10-15 m, među njima više ne djeluje jaka sila. Ona se pojačava ulaskom preko graničnog

praga sile, a najjača je pri udaljenosti 10-15m. Međutim, ako se nukleoni približe preko granice

gdje je sila najjača, onda će početi slabiti da bi kod tačke oko 0,5x10 -15m ona postala odbojna.

Jaka sila puno je snažnija od eketrične sile. Proces atomske fisije se temelji na propustima

jake sile zbog slabljenja na kratkim udaljenostima, a on ljudima omogućuje dobivanje

energije u atomskim elektranama, ali i stvaranje razornih oružja poput atomske bombe.

Firdus Faruk IV7 13


4. Radioaktivnost

Godine 1896. Henri Becquerel, francuski fizičar, radio je na jedinjenjima koja sadrže

uran. Na njegovo iznenađenje, otkrio je da na fotografskoj ploči, koja treba da štiti od

svjetlosti, ostaju magloviti tragovi, kada se ova uranova jedinjenja nalaze u blizini ploče. Ovo

zamagljenje je nagovještavalo da neka vrsta zračenja prolazi kroz ploču. Nekoliko materijala

različitih od urana su, takođe, emitovali ove prodorne zrake. Materijali koji emituju ovu vrstu

radijacije su označeni kao radioaktivni i prolaze kroz fazu koja se zove radioaktivni raspad.

Godine 1899. Ernest Rutherford je otrkio da uranova jedinjenja proizvode tri različite

vrste radijacije. Odvojio je radijacije prema njihovim prodornim sposobnostima i nazvao ih je

prema tri prva slova grčkog alfabeta, alfa, beta i gama radijacija. α–zračenje može se

zaustaviti listom papira. Rutherford je kasnije pokazao da je alfa-čestica, ustvari, jezgro atoma

helija. β–čestice su kasnije identifikovane kao elektroni velikih brzina. Šest milimetara

aluminija je potrebno da bi se zaustavila većina beta-čestica. Nekoliko milimetara olova je

potrebno da bi se zaustavili gama-zraci, za koje je utvrđeno da su zapravo fotoni velike

energije. Alfa-čestice i gama-zraci se emituju sa specifičnom energijom koja zavisi od

radioaktivnosti izotopa. Beta-čestice, međutim, emituju se zajedno sa neprekidnom energijom,

od 0 do maksimalne, koju odobrava određeni izotop.

Firdus Faruk IV7 14


4.1. Alfa-raspad

Ispuštanje alfa-čestica ili jezgra 4He, je proces koji se naziva alfa-raspad. S obzirom da

alfa-čestice sadrže protone i neutrone, oni sigurno dolaze od jezgra nekog atoma. Jezgro koje

nastaje pri alfa-raspadu će imati drugačiju masu i naelektrisanje od originalnog jezgra.

Promjena naelektrisanja znači da je element promijenjen u neki drugi element. Maseni broj A,

nastalog jezgra, se smanjuje za četiri, a redni broj za dva u odnosu na početno jezgro. Zbog

toga što je maseni broj 4He dva, broj protona u nastalom jezgru se smanji za dva u odnosu na

početno jezgro.

Slika 5.

Brzine kojima alfa-čestice izlijeću iz jezgara mogu da budu veoma velike, a kinetička

energija reda veličine nekoliko MeV. 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.

4.2. Beta-raspad

Beta-čestice su negativno naelektrisani elektroni koje emituje jezgro. Kako je masa

elektrona samo mali dio atomske mase, masa jezgra koje prolazi kroz beta-raspad se

minimalno promijeni. Praktično, maseni broj ostaje nepromijenjen. Jezgro ne sadrži elektrone.

Zapravo, beta-raspad nastaje kada se neutron mijenja u proton u okviru jezgra. Svaki beta-

raspad prati nevidljivi neutrino. Tada se broj protona, a time i atomski broj mijenja za jedan.

Na primjer, ugljikov izotom 14C je nestabilan i emituje beta-čestice, pri čemu nastaje stabilni

azotov izotop 14N.

.

Firdus Faruk IV7 15


Slika 6.

U stabilnom jezgru, neutron se ne raspada. Slobodni neutron se može raspasti,

emitovanjem alfa i beta čestica. Dijeleći energiju sa beta-česticama nastaje neutrino. Neutrino

je mala čestica koja postoji samo u kretanju i kreće se brzinom svjetlosti. Neutrino ima malu

ili uopće nema mase, kao ni naelektrisanja, ali, kao i proton, nosi impuls i energiju. Izvor

energije koja se oslobodi u toku beta-raspada se objašnjava činjenicom da je masa početnog

izotopa veća od sabranih masa produkata raspada. Masa se konvertuje u energiju baš kao što

je to A. Einstein predvidio.

4.3. Gama-zračenje

Gama-zračenje obično prati alfa i beta zračenje. Gama zraci su vrsta elektromagnetnog

zračenja koje rezultuje iz preraspodjele naelektrisanja u samom jezgru. Gama-zrak je foton

velike energije. Jedina stvar po kojoj se gama-zrak razlikuje od vidljivog fotona emitovanog

iz sijalice je njegova talasna dužina. Talasna dužina gama-zraka je mnogo kraća. Za

kompleksna jezgra postoji mnogo načina na koje protoni i neutroni mogu biti postavljeni u

samom jezgru.

Gama zraci se mogu emitovati kada nukleus prolazi kroz promjenu iz jednog oblika u

drugi. Na primjer, ovo se može desiti kada oblik jezgra pretrpi promjenu. Kada nukleus

emituje gama zrake ne mijenja se ni atomski ni maseni broj.

Firdus Faruk IV7 16


5. Fisija

Nuklearna fisija je dijeljenje jezgre atoma na manje dijelove (manje jezgre), pri čemu

nastaju slobodni neutroni i druge male jezgre, što bi moglo dovesti do proizvodnje fotona (u

obliku gama-zraka). Fisija teških elemenata je egzotermna reakcija koja oslobađa velike

količine energije kao što su elektromagnetska radijacija i kinetička energija dijelova

(zagrijavanjem materijala gdje se fisija odvija). Fisija je oblik elementarne preobrazbe zato što

nastali dijelovi nisu istog hemijskog elementa kao originalni atom.

Slika 7.

Proces fisije oktrili su O. Hahn i F. Strassman 1939. godine, bombardirajući

neutronima jezgra uranovog izotopa 92U235. Kada neutron uđe u nestabilno jezgro 92U235,

njegova nestabilnost se povećava, usljed čega se ono raspada na dva lakša jezgra X i Y, uz

oslobođenje 2-3 neutrona. Produkti fisije će se razletjeti noseći sa sobom veliku energiju oko

200 MeV. Fisija urana 92U235 piše se na sljedeći način :

U92❑ 23 5+ n0

❑ 1→ XZ1

❑ A 1+ YZ2

❑ A2+(2−3 ) n10❑ +200 MeV

Fisija proizvodi snagu za atomsku energiju i pokreće eksploziju atomskih oružja. Obje

upotrebe su moguće zbog određenih sastojaka zvanih atomska goriva. Atomska goriva

prolaze kroz fisiju kod sudara sa slobodnim neutronima a za uzvrat stvaraju neutrone kad se

razdvoje. To omogućava samoodržavajuću lančanu reakciju koja oslobađa energiju

kontrolirano u atomskom reaktoru ili vrlo brzo i nekontrolisano kod atomskih oružja.

Firdus Faruk IV7 17


5.1. Atomska lančana reakcija

Neutroni koji se javljaju pri fisiji daju mogućnost da se ostvari lančana reakcija fisije.

Ako se pri fisiji jednog jezgra emitiraju dva neutrona, oni mogu izazvati nova dva jezgra pri

čemu se dobija četiri neutrona. Ti neutroni mogu izzvati fisiju još četiri nova jezgra uz emisiju

osam elektrona. Na taj način se broj neutrona, koji se stvara u svakoj generaciji, povećava

geometrijskom progresijom, a reakcija je započela. Odvija se dalje samostalno uz stalno

povećanje raspadnutih jezgara i energije koja se oslobađa pri tome, sve dok sva jezgra ne

budu zahvaćena reakcijom.

Slika 8.

Da bi se ostvarila lančana nuklearna reakcija fisije, prije svega, potrebno je pomoću

složenih tehnoloških postupaka izdvojiti iz prirodnog urana fisioni izotop 92U235 ili povećati

njegovu koncentraciju. Osim toga, fisioni materijal mora imati neki minimalni volumen

odnosno minimalnu masu, koja se naziva kritična masa, a koja osigurava dovoljan broj

stvorenih neutrona, odnosno, koja osigurava da relativno mali broj neutrona napušta fisioni

materijal.

Firdus Faruk IV7 18


Nekontrolirana nuklearna reakcija je ostvarena kod atomske bombe i to je reakcija kod

koje se broj nastalih neutrona u svakoj generaciji povećava geometrijskom progresijom.

Također postoji i kontrolisana nuklearna reakcija i ona se ostvaruje u atomskim reaktorima.

To je reakcija kod koje je odnos broja neutrona stvorenih u dvije uzastopne generacije

blizak jedinici, tj. kod koje je spriječeno da se broj fisiono sposobnih neutrona lavinski

povećava. Za tu svrhu služe šipke kadmijuma, koje se uvlače u fisioni materijal. Njihova

uloga je da apsorbuju određeni broj neutrona. Fisioni materijal u reaktoru je prirodni uran

obogaćen izotopom 92U235. Neutroni stvoreni fisijom 92U235, jednim dijelom održavaju

kontrolisanu lančanu reakciju fisije, dok drugi dio apsorbira 92U238 i pretvara se u plutonij

94Pu239, a treći dio bude apsorbiran od šipki kojima se kontroliše lančana reakcija.

Slika 9.

Izotopi hemijskih elemenata koji mogu podržati fisijsku lančanu reakciju zovu se

atomska goriva, za njih kažemo da se mogu cijepati. Najuobičajnija goriva su 92U235(izotop

urana atomske mase 235 koji se koristi u reaktorima) i 94Pu239 (izotop plutonija atomske mase

239). Ova goriva se rastavljaju u dvonačinski raspon hemijskih elemenata s atomskim

masama približnim 95u i 135u (fisijski produkt).

Većina atomskih goriva prolaze kroz spontanu fisiju, ali jako sporo, raspadajući se

pomoću alfa/beta raspadnih lanaca kroz period od milion godina. U reaktoru ili oružju većina

fisijskih događaja uzrokovana su bombardovanjem sa drugom česticom, kao što je neutron.

Firdus Faruk IV7 19


Tipični fisijski događaji otpuštaju otprilike 200 000 000 000 eV energije po fisijskom

događaju. Za usporedbu uzmemo većinu hemijskih oksidacijskih reakcija (izgarajući ugljen ili

TNT) koji otpuštaju najviše 100-200 eV po događaju. Nuklearna goriva sadrže i do 10 000

000 puta više iskoristive energije od hemijskih goriva. Energija nuklearne fisije se otpušta kao

kinetička energija fisijskog produkta i dijelova i kao elektromagnetska radijacija u obliku

gama-zraka. U atomskom reaktoru energija se pretvara u toplinsku dok se gama-zrake

sudaraju sa atomima koje čine reaktor i njegov radni fluid, najčešće vodu ili ponekad deuterij.

Kod raspadanja urana u 2 druga atoma, proizvede se energija od otprilike 200 MeV.

168 MeV te energije je kinetička energija atoma urana koji se kreću brzinom c/30. Uz to se

odašilje 2,5 neutrona sa kinetičkom energijom od približno 2 MeV svaki. Na kraju fisijska

reakcija emituje otprilike 30 MeV gama-fotona.

Neutronske i gama-zrake koje odašiljaju čestice izbrišu informaciju o fisijskom

procesu, što čini teškim proučavati dinamiku iz sjedišta cjepišta, gdje se čestice formiraju i

nuklearna interakcija rasprši. Unatoč tome ima par fisijskih događaja za koje nema neutrona

ni gama-zraka. Ti događaji su dio takozvane hladne fisije.

Atomska fisija teških elemenata proizvodi energiju zbog specifične energije koja ih

veže prema masi prema nukleusima srednje mase sa atomskim brojem i atomskom masom

približno Ni61 i Fe56 i veća je od energija jako teških nukleusa, tako da se ta energija oslobađa

kad se teški nukleusi razbijaju na dijelove.

Ukupni ostatak mase fisijskih produkata iz jedne reakcije je manja od mase originalnih

nukleusa goriva. Višak mase je nepromjenjiva masa energije koja se oslobađa u obliku fotona

(gama-zraka) i kinetičke energije čestica. To nam govori formula E = mc2.

Firdus Faruk IV7 20


U atomskim fisijskim reakcijama nukleusi se mogu razdvojiti u bilo koju kombinaciju

lakših nukleusa, ali najuobičajnija reakcija nije fisija jednake mase nukleusa od oko 120;

najčešća reakcija je pomalo neuravnotežena fisija u kojem jedan podijeljeni nukleus ima masu

od 90 do 100u , a drugi ima ostatak od 130-140u. Nejednake fisije su energetski više poželjne

zato što nam to dopušta da jedan produkt bude bliži energetskom minimumu, približno masi

60u (samo jedna četvrtina prosječne fisijske mase), dok drugi nukleus mase 135u još uvijek

nije daleko od raspona najčvršće vezanog nukleusa.

Varijacija u specifičnoj vezanoj energiji sa atomskim brojem postoji zbog unutrašnje

povezanosti dvije osnovne sile koje djeluju na komponente nukleusa (protoni i neutroni).

Nukleusi su vezani sa snažnom privlačnom atomskom silom između nukleusa, koja je jača od

elektrostatičkog odbijanja između protona. Međutim, snažna atomska sila djeluje samo na

ekstremno kratkim rasponima. Zbog toga su veliki nukleusi slabije vezani po jedinici mase

nego manji nukleusi i dijeljenja dva velika nukleusa u dva srednje veličine oslobađa energiju.

Zbog kratkoće raspona jake vezajuće sile, veliki nukleusi sadrže proporionalno više neutrona

od lakših elemenata, koji su najstabilniji sa omjerom 1:1 (proton:neutron).

Ostatak neutrona stabiliziraju teške elemente jer dodaju snagu privlačnoj sili bez da

dodaju snagu odbijanju između protona. Fisijski produkti u prosjeku imaju isti omjer neutrona

i protona kao i nukleusi od kojih su nastali i zato su često nestabilni jer imaju

proporcionalnost previše neutrona u usporedbi sa stabilnim izotopima slične mase. To je

osnovni uzrok problema velike količine radioaktivnog otpada iz nukelarnih reaktora. Fisijski

produkti su često beta-emiteri, odašiljaju brzo kretajuće elektrone da bi sačuvali električni

naboj dok se preostali neutroni pretvaraju u protone unutar jezgre atoma fisijskog produkta.

Najčešća nuklearna goriva, U235 i Pu239, nisu velike radijacijske opasnosti sami po sebi. Uran

ima polu-život prosječno 700 000 000 godina i dok plutonij ima polu-život od „samo“ 24 000

godina, on je odašiljač alfa-čestica i nije opasan ukoliko se ne pojede. Jednom kada je gorivi

element iskorišten, ostatak gorivog materijala je intimno pomiješan sa visoko radioaktivnim

fisijskim produktima koji emituju energetske beta-čestice i gama-zrake. Neki fisijski produkti

imaju dugotrajno pohranjivanje u spremišta kao što su Yucca Mountain, dok se fisijski

produkti ne raspadnu do neradioaktivnih stabilnih izotopa.

Firdus Faruk IV7 21


U reaktorima se razvija ogromna količina topolote na račun kinetičke energije fisionih

produkata. Ta se toplota dalje pretvara u druge vidove energije, kao što su električna (atomske

elektrane) i mehanička energija (atomske podmornice). Pored ovoga, atomski reaktori se

koriste za dobivanje fisionog izotopa 94Pu239, koji se upotrebljava za proizvodnju atomskih

bombi. Ovaj postupak dobivanja plutonija, koji se upotrebljava za proizvodnju je mnogo

jeftiniji od tehnološkog postupka izdvajanja izotopa urana iz prirodnog urana. Pod

djelovanjem neutrona u reaktorima se proizvode različiti vještački radioizotopi, koji se poslije

koriste za različite svrhe (npr. u medicini za dijagnostiku, terapiju i istraživanja).

5.2. Značaj fisije

Energija fisije koristi se za proizvodnju električne energije u reaktorima ali služi i za

održavanje eksplozije u atomskom oružju (atomskoj bombi). Fisija je praktična kao izvor

energije u atomskim elektranama zato što neki materijali, koje nazivamo atomskim gorivom,

proizvode nove neutrone kao dijelove fisionog procesa, a započinju i novu fisiju kada su

pogođeni slobodnim neutronima. Atomsko gorivo može da bude dio samoodržavajuće

atomske reakcije obično nazvane lančana reakcija, koja oslobađa energiju nekontrolisanom

brzinom u atomskom reaktoru ili ekstremno velikom brzinom u atomskim oružjima.

Jedina mana svega je što su otpadni proizvodi fisije takođe veoma radioaktivni i ostaju

takvi hiljadama godina, čime se uvećava problem atomskog radioaktivnog otpada. Problem

odlaganja takvog otpada i ogromni destruktivni potencijal atomskog oružja u ogromnom su

neskladu sa prvobitnim željenim svojstvima fisije kao izvora energije, što daje stalno novu

„potpalu“ političkim debatama koje se i dalje vode oko pitanja ovog izvora energije.

Slika 10.

Firdus Faruk IV7 22


5.3. Plutonij

Plutonij je transuranski element, koji ne postoji u prirodi. Prvi put je izdvojen 1942.

godine. Plutonij ima 15 izotopa (232-246) i svi su radioaktivni, fisibilni su Pu239 i Pu241, a u

komercijalnoj upotrebi je Pu239.

U92❑ 238+ n0

❑ 1→ U92❑ 239+ γ0

❑ 0

U92❑ 239→ NP93

❑ 239+ e−1❑ 0+νe

NP93❑ 239→ Pu94

❑ 239+ e−1❑ 0+νe

Plutonij se danas smatra najboljim atomskim gorivom, jer je njegova sklonost ka

cijepanju veća od izotopa uranija. Pu239, kao što smo vidjeli na prethodnoj slici, dobiva se iz

U238.

Atomski reaktori koji služe za proizvodnju plutonija se zovu brideri ili oplodni

reaktori (breeder-oplođivač). U njima se odvija veoma interesantna atomska reakcija.

Zahvaljujući toj reakciji brideri proizvode više goriva nego što potroše, a uz to oslobađaju

energiju.

Slika 11.

Firdus Faruk IV7 23


6. Posljedice atomskih nesreća

6.1. Černobilska nesreća

Černobilska nesreća je sovjetska atomska nesreća koja se 1986. godine desila u bivšoj

Sovjetskoj Ukrajini, uz samu ukrajinsko-bjelorusku granicu. Dana 26. Aprila 1986.,

kombinacijom nesigurnog dizajna sovjetskog atomskog reaktora te ljudskom pogreškom,

uzrokovana je eksplozija koja je uništila jedan od četiri reaktora u Černobilskoj elektrani.

Velike količine radioaktivnih čestica uzdigle su se na visinu od 1500 metara i nošene

vjetrom, krenule prema Skandinaviji, srednjoj i jugoistočnoj Evropi. Sljedećih nekoliko dana

vjetrovi su odnijeli preko 70% radioaktivnih čestica sa mjesta nesreće prema Bjelorusiji koja

je dodatne posljedice osjetila više nego sama Ukrajina.

Oko 35 000 odraslih osoba i oko 1400 djece zatražilo je pomoć koja je direktno

vezana za posljedice ove nesreće. Različite razine zdravstvenih posljedica prouzrokovane

radioaktivnošću osjetilo je preko 2,4 miliona ljudi, a konačne zdravstvene posljedice znati će

se tek nekoliko desetljeća poslije. Najveće zdravstvene probleme osjetili su građani

Bjelorusije, prema kojima je sa mjesta nesreće vjetar nanio većinu radioaktivnih čestica.

Zabilježen je veliki broj prijevremenih porođaja, rađanja djece sa deformitetima, dok su

odrasli obolijevali od leukemije, raka i sličnih bolesti.

Slika 12.

Firdus Faruk IV7 24


6.2. Hirošima i Nagasaki

Atomski napad na Hirošimu i Nagasaki desio se 6. i 9. Augusta 1945. godine i bio je

direktan povod za japansku kapitulaciju 15. augusta kojom je završen Drugi svjetski rat.

Pretpostavlja se da je 129 000 ljudi poginulo u napadima, a dva puta više od posljedica.

Napad na Hirošimu desio se 6. Augusta 1945. godine. Prva atomska bomba, Little

boy, pala je na ovaj industrijski grad. Bila je to bomba bazirana na uranu, sa razarajućom

moći od 15-16 kilotona TNT-a. Između 90 000 i 120 000 stanovnika Hirošime i okolnih sela

je prema pretpostavkama ubijeno na licu mjesta u detonacijama ili od posljedica ranjavanja u

nekoliko narednih dana.

Slika 13.

Napad na Nagasaki desio se 9. augusta 1945. godine u 11 sati. Druga bomba, Fat man,

imala je još jaču razarajuću moć nego prva, oko 21-25 kilotona TNT-a, a eksplodirala je na

oko 500 metara visine. Bomba je bila duga oko 3 metra i teška nešto više od 4500 kg. Ova

bomba bila je bazirana na plutonijumu. Prvobitni cilj napada bio je grad Kokura, ali zbog

velike oblačnosti i nepogodnih vremenskih prilika, avioni su nastavili prema Nagasakiju pa su

bombe bačene na taj grad. Pretpostavlja se da je u ovom gradu poginulo oko 70 000 ljudi u

direktnom napadu ili u nekoliko narednih dana.

Firdus Faruk IV7 25


7. Nova otkrića

7.1. EMP (Elektromagnetni puls)

To su, zapravo, projektili sa nuklearnim glavama i relativno veoma jeftine rakete koje

koštaju oko 100 000 dolara, mogu biti ispaljeni iz priobalnih pojasa sa manjih a ne većih,

ratnih brodova. Njihov cilj ne bi bio kontinentalni, nego atmosferski. Posljedica toga bi bilo

naglo zagrijavanje atmosfere uz stvaranje elektromagnetske indukcije koja bi prouzrokovala

elektromagnetni tsunami usmjeren na ciljano područije. EMP bi paralizovao svu tehnologiju,

ugrozio zračni, pomorski i cestovni promet, ljudi bi ostali odsječeni i bez komunikacije. EMP

su otkrili Rusi i Amerikanci prije pedeset godina za vrijeme Hladnog rata. SAD je testirao ovo

nuklearno naoružanje. Detonirano je oko 400 kilometara od obale iznad Pacifika. Posljedice

ove eksplozije su se osjetile i na Havajima koji su 1000 kilometara udaljeni. Tamo, svi

elektronski uređaji jednostavno nisu radili.

7.2. Mini-atomske bombe

To su „ekološke“ bombe sa snagom od 0,1 do 1 kilotona klasičnog eksploziva. Ove

bombe su pogodne zato što ne uništavaju veliko područje i dizajnirane su za razaranje

podzemnih bunkera. Godine 1997. počela su prva testiranja bombe B61-11 sa raketnim

motorom, koja se pri padu sa 7 000 metara ukopa u zemlju do čak 10 metara dubine. Novi

prototipi bombe trebalo je da postignu još dublja ukopavanja. Ove bombe su veoma opasne

zato što ukopavanjem te detonacijom stvaraju dosta radioaktivne prašine koja se diže u zrak i

biva raznošena vjetrom.

.

Firdus Faruk IV7 26


8. Zaključak

Ovaj način dobivanja energije je prvenstveno veoma ekonomičan, a u isto

vrijeme velika opasnost za planetu Zemlju. Kao i većina stvari koje je čovjek napravio ova

brilijantna ideja je iskorištena u pogrešne svrhe. Kroz historiju svjedočili smo razornoj moći

ove energije. Šteta koju ova oružja mogu učiniti ima dugoročne posljedice i nema načina da

se štetno djelovanje izoluje ili ukloni sa zahvaćenog područja u kratkom periodu. Ovaj vid

naoružanja korišten je dugo nakon što su ljudi svjedočili monstruoznim posljedicama njegove

upotrebe kao prijetnja u Hladnom ratu. Proizvodnja atomskog oružja, elektrana i drugih

atomskih postrojenja mora biti pod strogim nadzorom međunarodne zajednice. S obzirom na

ubrzan razvoj nauke i tehnologije za očekivati je da ovaj način proizvodnje energije neće biti

primarni izvor energije u budućnosti.

Firdus Faruk IV7 27


9. Literatura

1. Angliss S., Bruce J., Cussans T., Flynn M., German R., Hosie R., Mason A., Rodgers

N., Ruggiero C., Taylor E., Varley H., Vincent C., Wright J., Wright M. (2007):

Enciklopedija "Činjenice na dohvat ruke", Reader's Digest, Mozaik knjiga, Zagreb;

2. Buhl B., Kahl E., Kohler G., Kohler P., Kramer R. (2006): Enciklopedija "Čudesni

svijet znanosti", Reader's Digest, Mozaik knjiga, Zagreb;

3. Čaluković N. (2007): Fizika za 4. razred gimnazije, Krug, Beograd;

4. Kulenović F., Vobornik S., Sliško J. (1998): Fizika sa zbirkom zadataka za IV razred

srednje škole, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Sarajevo;

5. http://hr.wikipedia.org/wiki/Černobilska_nesreća

6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Proces_nuklearne_fisije

7. http://nuklem.tripod.com/nuklearna_fisija.htm

8. http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Knjiznica/Teme/Nuklearna-energija/

Fizikalne-osnove-nuklearne-fisije

9. http://www.nemis.zpf.fer.hr/reakcije/fisija.asp

Firdus Faruk IV7 28


KOMENTAR

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

__________________________________________________________

Firdus Faruk IV7 29


Datum predaje rada: 10. april 2013. godine

Datum odbrane rada: : ___. _____ 2013. godine

Ocjena: ________________________________

Članovi komisije:

1. _______________________, predsjednik

2. _____________________________, član

3. _____________________________, član

Firdus Faruk IV7 30

Documents

Maturski fizika