1

Fizika atomskog jezgra

STRUKTURA I KARAKTERISTIKE ATOMSKOG JEZGRA

Raderford i njegovi saradnici su (1911.) proučavali prolazak i rasejanja -čestica na tankim

metalnim folijama. Na rezultatima ovih ogleda zasnovan je Raderford-Borov (planetarni)

model atoma. Prema ovom modelu:

- Atom se sastoji od pozitivnog jezgra (nukleusa1) oko kojeg kruže negativno naelektrisani

elektroni (kao planete oko Sunca), po putanjama čiji su prečnici mnogo veći od dimenzija

jezgara. Elektroni čine elektronski omotač – omotač atoma.

- Pozitivno naelektrisano jezgro okruženo je sa Z elektrona (Z – redni broj elementa u

periodnom sistemu). Atom je elektroneutralan – ukupno negativno naelektrisanje

elektrona jednako je pozitivnom naelektrisanju jezgra.

- Masa elektronskog omotača je zanemarljivo mala u odnosu na masu jezgra. Sva masa je

skoncentrisana u jezgru.

Svojim modelom, Raderford je uspostavio osnovne pretpostavke o rasporedu čestica u

atomu. U sastav atoma ulaze elektroni i pozitivno naelektrisane čestice2. O prirodi pozitivnog

naelektrisanja nije se znalo ništa. Kasnije je ustanovljeno da se jezgro sastoji od protona i

neutrona3, koji se nazivaju zajedničkim imenom nukleoni.

1 nukleus lat. – jezgro2 Pojam čestica i putanja u klasičnoj i kvantnoj mehanici ne mogu da se poistovete. Kod čestica u kvantnoj mehanici mora se uzeti u obzir i njihovo talasno svojstvo.3 Proton je 1918. otkrio Ernest Raderford. Ovoj čestici je dao ime proton od grčke reči protos - "prvi". Džejms Čedvig je 1932. otkrio je česticu u atomskom jezgru, koja će postati poznata kao neutron. Ta nova čestica neutron bila je bez električnog naelektrisanja.U slobodnom stanju neutron je nestabilan i spontano se raspada na proton, pri tome emitujući elektron i antineutrino. Period poluraspada neutrona iznosi 12 minuta.

2

Osnovne karakteristike jezgra su: masa, količina naelektrisanja, redni broj i spin.

Naelektrisanje protona je označeno kao pozitivno. Količina naelektrisanja protona je po

apsolutnoj vrednosti jednaka količini naelektrisanja elektrona (elementarna količina

naelektrisanja)4. Pošto su protoni pozitivno naelektrisane čestice (q p=+ 1. 6⋅10−19C ), a

neutroni su neutralni, to znači da je atomsko jezgro pozitivno. Naelektrisanje jezgra je:

q j=Z⋅e , gde je Z broj protona u jezgru. Broj neutrona u jezgru se obično obeležava sa

N.

Uobičajeno je da se atomsko jezgro obeležava hemijskim simbolom datog elementa,

njegovim rednim ( Z ) i masenim ( A ) brojem na sledeći način ZA X ili z X

A, gde je X

hemijski simbol datog elementa. Na primer:

11 H - vodonik, 2

4 He - helijum, 37 Li - litijum, 6

12 C - ugljenik,

2656 Fe - gvožđe, 92

238 U - uran

Z – je redni broj datog elementa, ili broj protona u jezgru njegovog atoma, ili broj elektrona

u njegovom elektronskom omotaču ( pod uslovom da atom nije jonizovan ).

A – je maseni broj datog elementa ili ukupan broj nukleona u jezgru, tj. zbir broja protona i

neutrona.

A = Z + N

Maseni broj pokazuje i molarnu masu odgovarajućeg atoma. Primer: helijum A=4,

M=4 gmol .

Broja neutrona može da se izračuna kao razlika masenog i rednog broja:

N = A – Z

Označavanje može da se vrši i na sledeći način (puna notacija) ZA XN . Primeri:

4 Koncept nedeljive količine naelektrisanja je 1838. razvio britanski prirodni filozof Ričard Laming, kako bi teorijski objasnio hemijska svojstva atoma; ime elektron je za ovo naelektrisanje 1894. uveo irski fizičar Džordž Džonston Stouni. Elektron je kao česticu identifikovao Dž. Dž. Tomson i njegov tim britanskih fizičara 1897.

p

3

24 He2 - helijum, 3

7 Li4 - litijum, 612 C6 - ugljenik,

2656 Fe30 - gvožđe, 92

238 U 146 - uran

Kada se posmatra broj protona i neutrona u jezgrima različitih hemijskih elemenata, može

da se uoči da je po sredini periodnog sistema broj protona približno jednak broju neutrona.

Kod jezgara sa većim masenim brojem broj neutrona se povećava u odnosu na broj protona,

tako da je na kraju periodnog sistema broj neutrona oko 1,6 puta veći od broja protona.

Protoni i neutroni u jezgru su ''gusto pakovani'', pa se jezgra mogu prikazati na sledeći način:

11 H 1

2 H 13 H 2

4 He

vodonik deuterijum tricijum

Prva tri jezgra prikazuju izotope vodonika ( izo topos grčki – isto mesto ). Svi oni

predstavljaju isti element – vodonik zato što broj protona određuje koji je elemenat u

pitanju. Ali razlika u broju neutrona u jezgru čini da se njihove osobine razlikuju. U odnosu

na vodu, teška voda, koja je sastavljena od dva atoma deuterijuma i atoma kiseonika, je

jedan od najjačih otrova u prirodi. Obično je jedan izotop mnogo rasprostranjeniji od ostalih.

Kod vodonika to je izotop 11 H , dok ostala dva izotopa u prirodi postoje samo u tragovima.

Atomska masa vodonika je 1 gmol , deuterijuma

2 gmol , a tricijuma

3 gmol . U periodnom

sistemu elemenata atomska masa vodonika je 1 .0084 g

mol , što znači da je uzeta prosečna

atomska masa svih izotopa vodonika, pri čemu je normalno uzeta u obzir procentualna

zastupljenost svih tih izotopa u prirodi. Samo izotopi vodonika imaju imena jer su oni prvi

otkriveni. Kasnije je postalo jasno, zato što svaki elemenat ima izotope ( olovo čak ima 10

izotopa ), da je mnogo bolje sve izotope zvati imenom elementa uz dodatak njegovog

masenog broja. Na primer: 92235 U - uran 235, a 92

238 U - uran 238.

Izotopi – atomska jezgra koja imaju isti redni broj, a različite masene brojeve

npn

np

p

n

n

p

4

Izobari – atomska jezgra koja imaju isti maseni broj, a različite redne brojeve (1840 Ar , 20

40 Ca )

Izotoni – atomska jezgra koja imaju isti broj neutrona, a različite redne brojeve ( 613 C , 7

14 N )

Dimenzije atomskog jezgra su, u poređenju sa dimenzijama atoma, veoma male (dimenzije

atoma – 10-10m, dimenzije jezgra 10-15-10-14m).

Poluprečnik atomskog jezgra je oko 100 000 puta manji od poluprečnika atoma. Da bi imali

predstavu koliki je taj odnos poređenje je sledeće: ako zamislimo da je atom uvećan

toliko da postane veličine fudbalskog stadiona ( zajedno sa tribinama – oko 200 m u

prečniku ), tada je pri proporcionalnom uvećanju jezgro tek veličine glave špenadle. Pri tom

uvećanju elektroni su još uvek nevidljivi golim okom. To znači da je ogroman deo prostora u

atomu prazan, a s obzirom na mase čestica koje čine atom jasno je da je najveći deo mase

atoma skoncentrisan u njegovom jezgru.

Ako se atomsko jezgro tretira kao sistem čestica, približno istih dimenzija (zapremine

43r0

3 π

), koje se nalaze na jednakim rastojanjima. Kod takve homogene raspodele čestica jednakih

zapremina, zapremina jezgra je proporcionalna broju nukleona.

43r3 π= 4

3r 0

3πA

r=r03√A

gde je:

A – maseni broj

r0 - radijus jezgra vodonika (r0≈1,4⋅10−15m 5) – praktično poluprečnik protona

5 10−15m=1 fm - u nuklarnoj fizici se češće koristi naziv fermi, umesto femtometar

5

To znači da je ogroman deo prostora u atomu prazan, a s obzirom mase čestica koje čine

atom jasno je da je najveći deo mase atoma skoncentrisan u njegovom jezgru. Tako da

postaje jasno zašto je gustina jezgra ogromna.

ρ=mV

ρ=M43πr3

gde je: M – masa jezgra.

Ako se uzme u obzir da je masa protona približno jednaka masi neutrona, dobija se da

gustina jezgra:

ρ j≈1017 kgm3

Prosečna gustina Zemlje kao planete je:

ρZ=5500 kgm3

To, na primer, znači da bi kockica stranice a=2mm, do vrha napunjena atomskim

jezgrima, imala masu od oko 1 000 000 tona. Ovakva gustina materije se može sresti još i

kod pulsara, tj. neutronskih zvezda.

6

Eksperimentalno je utvrđeno da proton i neutron imaju spin. Spinski kvantni broj protona i

neutrona je

12 . Često se kvantni broj spina skraćeno naziva spin. Projekcija spina protona,

odnosno neutrona, na neki pravac može biti + 1

2ℏ

ili −1

2ℏ

.

Pošto se spinovi nukleona slažu po parovima6, spin jezgra, koja se sastoje od parnog broja

nukleona je ceo broj ili nula. Jezgra sa neparnim brojem nukleona mogu da imaju samo

polucele brojeve spina. Merenja su pokazala da spin stabilnih jezgara, koja imaju čak i veliki

maseni broj, ne prelazi vrednost

92 , to ukazuje da se najveći broj nukleona suprotno

orijentisanih spinova slaže u parove.

Atomsko jezgro osim spina karakteriše i magnetni moment. Svaki nukleon u jezgru ima svoj

magnetni momemt. Ukupan magnetni moment jezgra određuju sopstveni magnetni

momenti nukleona.

Smer spina neutrona i smer njegovog magnetnog momenta suprotno su orijentisani. Smer

magnetnog momenta protona i smer spina protona se poklapaju.

DEFEKT MASE I ENERGIJA VEZE

Mase nukleona:

mp=1 .673⋅10−27 kg mn=1. 675⋅10−27 kg 7

mp≈mn

mp≈1836me

(me=9 . 1⋅10−31 kg)

U atomskoj fizici za jedinicu mase uzima se: u=1.66⋅10−27 kg – atomska jedinica mase.

Ona se definiše kao dvanaesti deo mase atoma ugljenika, pa se tako i izračunava:6 Rezultat slaganja dva spina koji su paralelni je celobrojni spin, a rezultat slaganja dva spina koji su antiparalelni je nula.7 Masa neutrona je veća od mase neutrona za veoma mali iznos, ali koji ima značajan uticaj.

7

u=MC

12⋅N A=

12 gmol

12⋅6 . 023⋅1023 1mol

=1. 66⋅10−24g=1 .66⋅10−27 kg

,

gde je: MC - molarna masa ugljenika, a N A - Avogadrov broj, tj. broj atoma ugljenika u

jednom molu.

Izražene u atomskim jedinicama mase mase protona i neutrona su:mp=1 .007276⋅u mn=1.008665⋅u me=0 ,0005486⋅u

U nuklearnoj fizici uobičajeno je da se mase čestica i jezgara ne izražavaju u jedinicima za

masu, već u jedinicama za energiju, deljenim sa c2. Atomskoj jedinici mase odgovara:

1u=931 ,5 MeVc2

Primer: masa elektrona me=511 keV

c2, masa protona

mp=938 ,27 MeVc2

, masa neutrona

mn=939 ,57 MeVc2

.

Merenja pokazuju da je masa jezgra kao celine (u mirovanju) manja od zbira masa čestice

koje ga sačinjavaju. Razlika između zbira masa čestica koje ulaze u sastav jezgra i mase

jezgra naziva se defekt mase. Ako jezgro ima Z protona i N=A-Z neutrona, defekt mase je:

Δm=Zm p+Nmn−m j

Ova razlika masa uslovljena je što je za združivanje nukleona u jezgro i održavanje jezgra kao

celine potrebna energija koja vezuje jedan nukleon za drugi. Ova energija se naziva energija

veze (Ev).

Vezivanje neukleona u jezgro je veoma specifično i složeno. Nukleoni su povezani silama

znatno većeg intenziteta od svih sila koje se javljaju u makrosvetu. Ove sile deluju na

rastojanjim uporedivim sa dimenzijama jezgra. Prilikom formiranja jezgra nukleoni podležu

dejstvu jakih privlačnih sila i pri tome gube deo energije.

8

Veza između energije i mase data je Ajnštajnovom formulom E=mc2 . Prema ovoj formuli

gubitak energije povlači i gubitak mase. Tako se pojavljuje ''manjak mase'' atomskog jezgra.

Prema zakonu održanja energije, energija veze jezgra je ista tolika energija koju energija

koju treba uložiti da bi se jezgro razbilo na pojedinačne nukleone. To znači da treba da se

uloži dovoljno energije da se jezgro rastavi na nukleone i da se ti nukleoni udalje jedan od

drugog na takva rastojanja da između njih ne postoji interakcija.

Energija veze:

Ev=Δmc2

Ev=(Zmp+Nmn−m j )c2

Pošto energija veze jezgra zavisi od broja nukleona, ona se obično obračunava po jednom

nukleonu. Za energiju veze po nukleonu se koristi naziv specifična energija veze.

f=Ev

A

Specifična energija veze je veličina koja ukazuje na stabilnost jezgra. Što je veća specifična

energija veze, to je potrebna veća energija da se nukleon izbaci iz jezgra, odnosno jezgro je

stabilnije.

Grafik zavisnosti specifične energije veze (energije veze po jednom nukleonu) od masenog

broja:

9

Sa grafika se vidi da većina jezgara (maseni brojevi između 20 i 200) imaju približno jednake

specifične energije veza), a da lakša jezgra (A20) i teška jezgra (A200) imaju manju

specifičnu energiju veze.

Teška i laka jezgra su manje stabilna od srednje teških jezgara. Spajanjem (fuzijom) dva laka

jezgra u jedno srednje teško oslobađa energija, a energija se oslobađa i cepanjem (fisijom)

jednog teškog jezgra na dva srednje teška.

Najveća stabilnost je kod jezgara sa masenim brojem oko broja 60.

Energija veze po nukleonu, tj. stabilnost jezgara se povećava od prvog vodonika do

dvadesetšestog gvožđa. Početni podatak od 1 MeV po nukleonu se ne odnosi na običan

vodonik – on i ne može da ima nikakvu energiju veze jer se sastoji od samo jednog protona –

već na njegov izotop deuterijum. Jedno od najstabilnijih jezgra u prirodi je jezgro gvožđa

10

2656 Fe sa 8.7 MeV po nukleonu. Od dvadesetšestog gvožđa do osamdesetdrugog olova

primetno je sporo slabljenje energije veze po nukleonu, što znači da su jezgra tih elemenata

sve nestabilnija. Na kraju, kod zadnjih 10 elemenata prisutno je nešto brže opadanje

stabilnosti, tako da je poslednje jezgro urana – 238 sa 7.6 MeV po nukleonu.

Lokalni maksimumi stabilnosti na grafiku pojavljuju se za jezgra (sa parnim brojem nukleona)

24 He , 6

12 C , 816 O i lokalni minimumi za jezgra (sa neparnim brojem nukleona) 3

6 Li , 510 B , 7

14 N .

11

U nuklearnoj fizici se stabilnost objašnjava slično kao što se u atomskoj fizici objašnjava

stabilnost atoma inertnih gasova. I u jezgru postoje energetski nivoi analogni ljuskama u

atomu. Na svaku ljusku može da stane određeni broj nukleona, a najstabilnija su ona jezgra

kod kojih su ljuske maksimalno popunjene.

Dodatak:

Primer: defekt mase i enerija veze jezgra helijuma 24 He

Mase protoni i neutrona izražene u atomskim jedinicama mase:

mp=1 .007276⋅u i mn=1.008665⋅u

Ukupna masa sve četiri čestice:

2⋅m p+2⋅mn=2⋅1 . 007276⋅u+2⋅1 .008665⋅u=4 . 031882⋅u .

Masa atomskog jezgra 24 He - koje se sastoji od dva protona i dva neutrona:

m j=4 . 0015⋅u .

Defekt ( gubitak ) mase jednak razlici izmerenih masa:

Δm=4 .031882⋅u−4 . 0015⋅u=0 . 030382⋅u≈0 ,0304⋅u .

Dakle ako po dva pojedinačna protona i neutrona spojimo ( fuzija ) u atomsko jezgro

helijuma – 4 doći će do defekta mase koji iznosi:

Δm=0 . 0304⋅u .

12

Ovaj gubitak mase, po Ajnštajnovoj formuli E=Δm⋅c2, znači i gubitak energije, tj. zbog

toga se protoni i neutroni u jezgru nađu sa manjkom energije ili drugim rečima u vezanom

stanju. Ovo vezivanje je posledica njihovog međusobnog delovanja privlačnom jakom

nuklearnom silom.

Ev=Δm⋅c2=0 .0304⋅1 .66⋅10−27 kg⋅(3⋅108 ms )

2=28. 4MeV

Ovo dalje znači da je jedan nukleon u jezgru helijuma – 4 vezan energijom:

f=Ev

A=28. 4 MeV

4=7 .1 MeV

Posmatramo spajanje dva jezgra deuterijuma u jezgro helijuma:

H 12+H 1

2 =He 24 +E .

Da bi se objasnila pojava oslobođene energije na desnoj strani relacije potrebno je napraviti

njen energetski bilans. Svaki od nukleona u deuterijumu ima manjak energije od 1 MeV, a

na levoj strani relacije je 4 takva nukleona. Svaki od četiri nukleona u jezgru helijuma ima

manjak energije od 7.1 MeV. Da bi energija na levoj strani relacije bila jednaka energiji

desne strane ( zbog zakona održanja energije ) potrebno je desnoj strani dodati pozitivnu

količinu energije u iznosu od 24.4 MeV:

4,0319

4,0015

13

2⋅(−1 MeV )+2⋅(−1MeV )=4⋅(−7 . 1 MeV )+E

−4MeV=−28. 4 MeV +E

pa se rešavanjem ove jednačine dobija oslobođena energija:

E=+ 24 .4 MeV

Zaključak je da se energija može dobiti uvek kada od jezgara sa manjom energijom veze

dobijemo jezgra sa većom energijom veze po nukleonu. To se dešava uvek kada je smer

relacije takav da se krećemo uz grafik! Kretanje uz grafik je moguće u dva slučaja: kada se

spajaju laka atomska jezgra ( kao u razmatranom slučaju fuzije deuterijuma u helijum ) ili u

slučaju deobe ( fisije ) jednog teškog atomskog jezgra ( recimo uran ) na dva jezgra iz sredine

periodnog sistema.

Važno je istaći ( zbog kasnijeg objašnjenja životnog ciklusa jedne zvezde ) da se fuzijom može

dobijati energija sve do fuzije u gvožđe. Fuzija gvožđa u teže elemente je moguća, ali pri

ovoj fuziji neće doći do oslobađanja energije već naprotiv doći će do njene apsorpcije.

Na kraju treba prodiskutovati pikove na grafiku. Oni prikazuju jezgra koja su stabilnija nego

što bi se to moglo očekivati. Najveći pik je kod jezgra 24 He sa 7.1 MeV po nukleonu u

odnosu na prethodni deuterijum sa 1 MeV po nukleonu i sledeći 36 Li sa 5.3 MeV po

nukleonu. Jezgra sa ovako povećanom stabilnošću imaju za svoj redni ili maseni broj jedan

od sledećih brojeva:

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Ovi brojevi su u nuklearnoj fizici poznati kao magični brojevi. Primeri ovakvih elemenata –

koji imaju povećanu stabilnost, su:

24 He , 8

16 O , 2040 Ca , 20

48 Ca , 82206 Pb

NUKLEARNE SILE

14

Pošto se u jezgrima nalaze protoni na veoma malim međusobnim rastojanjima između njih

deluju veoma jake odbojne električne sile. Pošto su nukleoni uprkos tome u jezgrima veoma

jako vezani, između njih mora da deluje neka jaka privlačna sila. Ta sila je prvobitno nazvana

nuklearna sila. Osobine ove nuklearne sile se veoma razlikuju od osobina gravitacione i

elektromagnetne sile.

Pored jake nuklearne sile, u jezgru vladaju i sile manjeg intenziteta takozvane slabe

nuklearne sile (slaba interakcija) koje se manifestuju prilikom raspada nekih elementarnih

čestica.

Interakcija (sila) Relativni intenzitetPosrednik

(prenosilac)međudelovanja

Domet (m)

jaka nuklearna 1038 mezon (gluon) 10−15

elektromagnetna 1036 foton beskonačan

slaba nuklearna 1025 W, Z0 bozoni 10-18

gravitaciona 1 gravitoni(nisu još otkriveni) beskonačan

Osnovna svojstva nuklearne sile:

- najjače sile u prirodi – mnogo većeg intenziteta od ostalih poznatih sila u prirodi

(podaci u tabeli)

- kratkog dometa – radijus delovanja reda veličine 10-15m, kada se povećava rastojanje

intenzitet vrlo brzo opada, tako da se na rastojanjima reda veličine 10 -14m praktično

jednak nuli; na manjim rastojanjima nuklearna sila postaje odbojna i sprečava

nukleone u jezgru da se spoje u homogenu celinu

- nezavisne od naelektrisanja – iste sile deluju između dva protona, kao i između dva

neutrona, odnosno između protona i neutrona

- pokazuju svojstvo zasićenja – jedan nukleon interaguje samo sa nukleonima koji ga

okružuju; pri povećanju broja nukleona u jezgru, nuklearna sila se ne menja, pa je

gustina svih jezgara ista

- nije centralna – ne može da se kaže da je da deluje duž prave koja spaja centre

čestica koje interaguju (za razliku od električne i gravitacione)

15

Nuklearna sila je jedinstvena i značajno se razlikuje od svih do sada poznatih sila u prirodi.

Modeli jezgra

U nuklearnoj fizici ne postoji jedinstvena teorija koja objašnjava sve osobine jezgra i

nuklearnih sila, postoji više modela od kojih svaki dovoljno dobro objašnjava određeni skup

osobina jezgra.

Model tečne kapi

Uočene su sličnosti između atomskog jezgra i kapi tečnosti:

I jezgro i kap tečnosti imaju sferni oblik.

Gustina jezgara ne zavisi od broja nukleona – gustina svih jezgara je ista, kao što i

gustina kapi tečnosti ne zavisi od broja molekula u njoj.

Jedan nukleon interaguje samo sa najbližim susedima, kao što i molekuli tečnosti

interaguju samo sa svojim najbližim susedima.

Pri formiranju jezgra oslobađa se energija koja je jednaka proizvodu energije veze po

nukleonu i broja nukleona, slično se dešava pri kondenzovanju pare u kap tečnosti,

oslobađa se toplota koja je srazmerna masi kapi odnosno broju molekula.

Na toj sličnosti zasnovan je model tečne kapi prema kojem se nuklearnim silama pripisuju

osobine slične onim koje imaju međumolekulske sile u tečnosti. Ovaj model pokazao se

dobrim za određivanje energije veze jezgra, objašnjenje stabilnosti jezgra, objašnjenje

reakcije cepanja jezgra pri zahvatu neutrona.

Model ljuski

Model ljuski je kvantno-mehanički model (slično modelu atoma) – nukleoni su u jezgru

raspoređeni po određenim ljuskama (kao što su raspoređeni elektroni u atomu). Nukleoni su

16

u jezgru raspoređeni po određenim energetskim nivoima u potencijalnoj jami. Postoji

energetski nivoi za neutrone i energetski nivoi za protone. Na svaki nivo mogu da budu po

dva protona, odnosno dva neutrona, suprotno orijentisanih spinova. Ovim modelom se

objašnjava zašto su najstabilnija jezgra kod kojih je broj protona jednak broju neutrona.

Prema ovom modelu energetski nivoi protona, kao i energetski nivoi neutrona su grupisani u

ljuske. Maksimalni brojevi nukleona koji mogu da stanu na pojedine ljuske u jezgru su: 2, 8,

20, 28, 50, 82 i 126 (samo za neutrone). Ti brojevi su magični brojevi, a jezgra koja imaju

magičan broj protona ili magičan broj neutrona su magična jezgra. To su vrlo stabilna jezgra.

Posebno su stabilna dvostruko magična jezgra – magičan i broj protona i broj netrona -

24 He , 8

16 O , 2040 Ca, 20

48 Ca , 82208 Pb .

PRIRODNA RADIOAKTIVNOST

Krajem 19. veka (1896) francuski fizičar Anri Bekerel – slučajno stavio komad uranove rude

na fotografsku ploču koja je bila dobro zaštićena od uticaja svetlosti. Kada je kasnije ploča

razvijena i fiksirana na njoj se pokazala velika crna mrlja na mestu gde se nalazila uranova

ruda. Zaključak: uranova ruda zrači neke nevidljive zrake koji prolaze kroz hartiju i utiču na

fotografsku ploču.

Marija i Pjer Kiri – pronalaze dva nova elementa – radijum i polonijum – zrače znatno jače od

uranijuma.

Pojava da neki elementi spontano emituju nevidljive zrake nazvana je radiokativnost.

latinska reč radiare – zračiti

U početku je priroda ovog zračenja bila nepoznata. Kasnije je utvrđeno da ovi zraci potiču iz

jezgra radioaktivnih elemenata i nastaju zbog njihovog raspadanja.

17

Na osnovu ponašanja zračenja u homogenom električnom ili magnetnom polju, Raderford je

utvrdio da postoje tri vrste zračenja - , β i .

Zaključak:

- -raspad – pozitivne čestice

- β-raspad – negativne čestice

- - raspad – elektroneutralno zračenje (elektromagnetni talasi)

Pri raspadu se teži atomi transformišu u lakše. Pri tome nastaju radioaktivni zraci.

Primer: radijum se raspada i otpušta , i zrake i nakon niza preobražaja nastaje olovo

koje nije radioaktivno.

Prirodno su radioaktivni svi elementi periodnog sistema iza olova. To znači da su ovi

elementi skloni jednom od tri načina na koji se jezgra raspadaju, a to su: -raspad, β-raspad

(tri vrste) i - raspad.

-RASPAD

-zraci (čestice) su jezgra atoma helijuma – sastoje se od 2 protona i 2 neutrona.

Kada jezgro radioaktivnog elementa emituje - čestice, menja se sastav jezgra i dobija se

jezgro drugog hemijskog elementa, čiji je redni broj manji za 2, a maseni broj manji za 4.

18

ZA X→ Z−2

A−4 Y + 24 α

92238 U → 90

234 Th+ 24 α

Prolaskom kroz supstancu -čestica gubi energiju, ali pri tome jonizuje atome supstance

kroz koju prolazi.

β-RASPAD

Proces pri kome dolazi do transformacije nukleona u jezgru – neutrona u proton ili protona

u neutron. Ove transformacije uzrokuju posebne sile – slabe nuklearne sile (slabe

interakcije) – malog intenziteta i dometa

Elektronski β raspad (β- raspad)

Raspad neutrona u jezgru na proton, elektron i antineutrino.

n→ p+e−+ ν̄

Dobija se novo, stabilnije jezgro sa rednim brojem povećanim za 1, dok maseni broj ostaje

isti.

ZA X→Z+1

A Y +e−+ ν̄

Primer:

2760 Co→28

60 Ni+e−+ ν̄

19

Ovaj proces se dešava kod jezgara čiji je broj neutrona znatno veći od broja protona.

Pozitronski β raspad (β+ raspad)

Raspad protona u jezgru na neutron, pozitron8 i neutrino.

p→n+e++ν

Redni broj novog, stabilnijeg jezgra se smanjuje za 1, dok maseni broj ostaje isti.

ZA X→Z−1

A Y +e++ν

Ovaj raspad može da se dešava samo u atomskom jezgru u kome je moguće prilikom

transformacije preuzimanje dodatne potrebe energije od drugih čestiva u jezgru (mp¿¿)

Elektronski zahvat (K zahvat) – poseban oblik β-raspada. Pri ovom procesu jezgro apsorbuje

jedan elektron iz elektronskog omotača – najčešće iz K ljuske. Zbog toga se jedan od protona

pretvara u neutron, a pri tome se emituje neutrino.

p+e−→n+ν

Redni broj novonastalog jezgra je manji za 1, a maseni broj ostaje isti.

ZA X+e−→Z−1

A Y +ν

Pošto je zahvaćen jedan elekron i K ljuske, to prazno mesto će se popuniti elektronom iz

viših ljuski, pa će se pojaviti karakteristično rendgensko zračenje.

Prilikom ovog tipa raspada iz jezgra izleće samo jedna čestica – neutrino.

8 pozitron je antičestica elektrona

20

Posle bilo kog β-raspada novonastalo jezgro se nalazi u pobuđenom stanju. Prelazak jezgra u

osnovno stanje praćeno je emisijom zračenja – fotona.

-RASPAD

-zraci se visokoenergetski elektromagnetni talasi (fotoni), prostiru se brzinom svetlosti i ne

skreću u električnom i magnetnom polju. To je najprodornije zračenje. Uvek prati i β

raspad.

Kada atomsko jezgro emituje ili β zrake (čestice), transformiše se u novo jezgro koje se

nalazi u pobuđenom stanju. Prilikom prelaska u niža energetska stanja jezgro emituje -

zrake.

Emisijom -fotona jezgro ne menja ni redni broj ni maseni broj, već prelazi iz energetski

višeg u energetski niže stanje.

Kada raspadanje počne na njega ne može da se utiče – ne može ni da se ubrza ni uspori.

Prilikom radioaktivnog raspada oslobađa se energija radioaktivnog raspada.

Da bi se opisala brzina raspadanja atoma uvedena je veličina koja je nazvana period

poluraspada. Period poluraspada je vreme za koje se početni broj atoma nekog

radioaktivnog elementa smanji za polovinu.

Primer: periodi poluraspada

- radijum 1590 godina

- uran 4,5 milijardi godina

- gas radon 4 dana

- kobalt 5 godina

Na osnovu ovih podataka može da se odredi starost rude nekog elementa

21

22

Karakteristike

zraci ( čestice):

– pozitivno naelektrisane čestice – 2 protona i 2 neutrona – jezgro helijuma – zato

se zovu čestice

– brzina 20000

kms

– prodornost mala – ne mogu da prođu ni kroz list papira (0,1mm)

– aluminijumska folija 0,06 mm

– domet u vazduhu do 3,5 cm, svaka čestica na tom putu proizvede više desetina

hiljada jona

– jedan gram radijuma izbaci u sekundi oko 35 miliona čestica

zraci (čestice)

– negativno naelektrisane čestice – elektroni čestice

– brzina 200000

kms

– prodornost veća od čestica (100 puta)- prolaze kroz tanji list aluminijuma ili

kroz tanju staklenu ploču

– prolaze kroz list papira debljine 1 mm

– zaustavlja ih aluminijuksma folija debljine 5 mm

zraci

- elektromagnetni talasi – kao i svetlosni, ali mnogo manje talasne dužine tako da

se ne vide

- brzina je jednaka brzini svetlosti

- vrlo su prodorni – prolaze kroz beton debljine 1 metar, ali ne mogu da prođu kroz

olovo iste debljine (prolaze kroz olovo debljine 20cm)

ZAKON RADIOAKTIVNOG RASPADA

23

I AKTIVNOST RADIOAKTIVNOG IZVORA

Važno otkriće u vezi sa radioaktivnošću različitih prirodnih elemenata je da se oni ne

raspadaju istom brzinom. Različitom brzinom se raspadaju i izotopi istog elementa.

Da bi se opisala brzina raspadanja atoma uvedena je veličina koja je nazvana period

poluraspada. Period poluraspada je vreme za koje se početni broj atoma nekog

radioaktivnog elementa smanji za polovinu. To vreme je različito za različite elemente i

kreće se od nekoliko delova sekunde do nekoliko miliona godina.

Primer: periodi poluraspada

- radijum 1590 godina

- uran 4,5 milijardi godina

- gas radon 4 dana

- kobalt 5 godina

Primer: radioaktivni jod-131 - početni broj N0=800 radioaktivnih elemenata, period

poluraspada T=7dana

- posle prve nedelje: N=

N0

2=800

2=400

- posle druge nedelje: N=

N0

2=400

2=200

- posle treće nedelje: N=

N0

2=200

2=100

Posle 3 nedelje ostaje 100 neraspadnutih jezgara.

Razmatranje:

- u početnom trenutku t=0 – N0 radioaktivnih elemenata

- u trenutku t=T (T – period poluraspada) - N=

N0

2

24

- u trenutku t=2T - N=

N0

4

- u trenutku t=3T - N=

N0

8

- ...

- u trenutku t=nT - N=

N0

2n

pošto je n= t

T tada je:

N=N0

2n

N=N 02−n

N=N 0 2−

tT

logaritmovanjem:

ln N=ln N0+ ln2−tT

ln N=ln N0−tT

ln2

Konstanta radioaktivnog raspada (određuje verovatnoću raspada jednog jezgra u jednoj

sekundi:

λ=ln 2T

ln N=ln N0−λtln N−ln N0=−λt

ln NN0

=− λt

NN0

=e−λt

Zakon radioaktivnog raspada:

25

N=N 0e− λt

N0 - početni broj radioaktivnih jezgara

T – vreme njihovog poluraspada

N – broj neraspadnutih jezgara po isteku vremena t

e – osnova prirodnog logaritma

λ – konstanta radioaktivnog raspada

Broj neraspadnutih jezgara eksponencijalno se smanjuje u toku vremena.

Pomoću zakona radioaktivnog raspada konačno rešen jedan od velikih problema u nauci, a

to je koliko je stara Zemlja, tj. kolika je starost Sunčevog sistema.

Kada je utvrđeno da period poluraspada urana-238 iznosi 4.5 milijardi godina, ispostavilo se

da u svim nalazištima uranijuma u kori naše planete postoji mešavina uranijuma i olova i to

tako što je približno polovina te rude uran, a druga polovina je olovo. Znajući da se

uzastopnim nizom, α , β i γ – raspada uran preko niza elemenata na kraju pretvara u olovo

i znajući da ni jedan elemenat iz radioaktivnog niza raspada urana nema neko veće vreme

poluraspada, možemo zaključiti da je od nastanka elemenata, od kojih je sačinjen naš

planetarni sistem, prošlo približno jedno vreme poluraspada urana. Ovi elementi su nastali u

eksploziji supernove, a vrlo brzo zatim je došlo i do formiranja Sunčevog sistema. Tako je

starost Zemlje određena na 4.5 do 4.6 milijardi godina.

Starost Sunčevog sistema je prvi odredio američki geolog sa Kler Paterson 1953. godine.

Zbog velike koncentracije atmosferskog olova (prevashodno od izduvnih gasova

automobila), koje ''zagađuje'' stene i remeti odnos urana i olova u njima, Paterson je merio

koncentracije urana i olova u uzorcima meteorita, pri čemu je morao da pazi da oni budu što

manje u kontaktu sa atmosferom.

Usput jedan ne tako nevažan zaključak. Prirodno radioaktivni elementi između urana i olova

imaju u odnosu na uran vrlo kratka vremena poluraspada i do sada ih uopšte i ne bi trebalo

26

biti u kori naše planete. S obzirom na ogromnu starost naše planete ovi elementi su morali

da se već potpuno raspadnu. Ono što ipak čini da su oni i dalje prisutni u zemljinoj kori je to

što se uran (sa svojim ogromnim vremenom poluraspada) upravo preko ovih elemenata

raspada do olova, pa sve dok ima uran, biće u kori naše planete i ovih elemenata.

Treća zanimljivost u vezi sa zakonom radioaktivnog raspada je upotreba ugljenika-14 za

određivanje starosti raznih istorijskih i arheoloških artefakata i paleontoloških nalaza.

614 C je izotop ugljenika (''normalan'' ugljenik je 6

12 C ) sa periodom poluraspada T=5600

godina. Ovog ugljenika ima u vazduhu u određenoj poznatoj koncentraciji. Prilikom disanja

svaki živi organizam unosi u sebe i ovaj ugljenik, tako da je, bez obzira što se ovaj izotop

raspada, njegova koncentracija u živim bićima uvek ista i odgovara spoljašnjoj koncentraciji

ovog izotopa u vazduhu. Međutim, kada organizam umre tada nema više disanja, pa nema

ni nadoknađivanja raspadnutog izotopa. Zbog toga se koncentracija ovog izotopa u

posmrtnim ostacima biljaka i životinja smanjuje. S obzirom na njegov period poluraspada od

5600 godina, jasno je da se merenjem koncentracija ovog izotopa u nađenim biljnim i

životinjskim ostacima (papirus, pergament, ostaci skeleta itd.) može da se utvrdi njihova

starost i to utoliko preciznije ukoliko su ovi uzorci stariji. Postoji i ograničenje u tom smislu,

pošto se smatra da je, kada prođe 10 vremena poluraspada, koncentracija početnog

radioaktivnog izotopa zanemarljiva. Tako se ova metoda koristi za određivanje starosti do

oko 50 000 godina u prošlost. Pritom nije loše naglasiti da se ovom metodom može

ustanovljavati starost samo onih uzoraka koji potiču od živih bića.

27

U praksi je važno znati koliko se raspada dešava u radioaktivnom izvoru u jedinici vremena.

Zato je u nuklearnu fiziku uvedena veličina koja određuje broj raspada u jedinici vremena u

datom radioaktivnom izvoru, a naziva se aktivnost radioaktivnog izvora.

Aktivnost radioaktivnog izvora je veličina koja određuje brzinu raspada (broj raspadnutih

jezgara u jedinici vremena).

Aktivnost datog radioaktivnog izvora jednaka je proizvodu konstante radioaktivnog raspada i

broja neraspadnutih jezgara u tom radioaktivnom materijalu.

A=λN N=N 0e− λt

A=λN0e− λt

A=A0e− λt

A0=λN 0 – početna aktivnost datog radioaktivnog izvora.

Merna jedinica za aktivnost naziva se bekerel [Bq]. Aktivost od 1Bq ima radioaktivni izvor u

kome se događa jedan raspad u jednoj sekundi. U praksi se najčešće koriste njeni umnošci

kBq, MBq, GBq.

INTERAKCIJA RADIOAKTIVNOG ZRAČENjA SA SUPSTANCOM

Kada čestice visokih energija napuste izvor, one se kreću kroz materiju i u njoj izazivaju

različite efekte. Na osnovu proučavanja interakcije zračenja sa materijom dolazi se do

zapažanja koja su značajna prilikom:

detekcije čestica zračenja i opisivanja njihovih osobina;

primene ovih pojava;

zaštite od ovih zračenja.

28

Uzajamno delovanje zračenja i materije kroz koju ono prolazi zavisi od vrste zračenja (alfa,

beta, gama, neutroni, itd.) i od energije svakog od tih zračenja. Pošto su sve to

visokoenergetska zračenja sva ona spadaju u grupu jonizujućih zračenja.

Na vrlo visokim energijama (male talasne dužine) interakcije se svode na direktne interakcije

između elementarnih čestica.

Interakcija -zračenja i supstance

Pri prolasku -čestica kroz neku sredinu, dešavaju se sledeći efekti:

- ekscitacija atoma;

- jonizacija atoma.

Na svom putu kroz materiju -čestice jonizuju i pobuđuju atome. Tom prilikom dolazi do

pojave slobodnih elektrona i pozitivnih jona. Jonizovani atom se vrlo brzo rekombinuje,

odnosno zahvati elektron iz sredine pri čemu se emituje elektromagnetno zračenje (foton).

Pobuđeni (ekscitovani) atomi nakon kratkog vremena prelaze u osnovno stanje uz emisiju

fotona odgovarajuće energije.

Alfa čestica ima veliku jonizacionu moć - proizvodi veliki broj jonskih parova (elektron-jon).

Pošto energija -zračenja iznosi od 4 do 9 MeV, a za jednu jonizaciju potrebno oko desetak

eV, to znači -čestica svu svoju energiju izgubi na jonizaciju nekoliko stotina hiljada atoma.

Pošto u čvrstim materijalima po jednom centimetru ima oko 108 atoma, -čestica tih

nekoliko stotina hiljada sretne na veoma malom putu, ne dužem od desetog dela milimetra.

Domet -čestica u vazduhu otprilike iznosi onoliko centimetara kolika im je energija izražena

u MeV. Na desetak centimetara od izvora alfa zračenja, -čestica više nema.

Manje prodorna zračenja proizvode više efekata po jedinici puta od onih prodornijih, koja i

stižu dalje zato što im je gustina gubitaka energije manja.

29

Interakcija β-zračenja i supstance

Pri prolasku β-čestica kroz neku sredinu, dešavaju se sledeći efekti:

- ekscitacija atoma;

- jonizacija atoma;

- emitovanje zakočnog zračenja.

Beta zračenje (elektroni visokih energija) prati niz efekata svojstvenih objektima koji se

kreću velikim brzinama. Pored toga, čestice beta zračenja su identične sa česticama sa

kojima interaguju, sa elektronima sredine kroz koju se kreću. Zbog ove identičnosti

nemoguće je pratiti njihovo kretanje kroz sredinu, već se može pratiti samo onaj elektron

koji je iz date interakcije odneo veću energiju.

Domet β zračenja u čvrstim materijalima je reda nekoliko milimetara, a u gasovima reda

nekoliko metara.

To što su elektroni laki, lako ubrzavaju, a svako naelektrisanje pri ubrzanju emituje

elektromagnetno zračenje. Pošto se elektroni prolazeći kroz sredine koče (imaju negativna

ubrzanja) to zračenje se naziva zakočno zračenje. Pored jonizacije i ekscitacije atoma i

molekula sredine to je još jedan proces kojim elektroni gube energiju. Ova proces je

dominantan na vrlo visokim energijama elektrona.

Interakcija -zračenja i supstance

Gama zračenje, odnosno fotoni visokih energija, interaguju sa materijom potpuno drugačije

od naelektrisanih čestica. U zavisnosti od energije fotona i rednog broja sredine dominira

jedan od sledeća tri procesa:

- fotoefekt (jonizacija);

- Komptonov efekat;

- proizvodnja parova.

30

U materijalima visokog rednog broja i na niskim energijama fotona dominira fotoefekt,

proces u kome foton svu svoju energiju preda jednom od atomskih elektrona koji tada

napušta svoj atom.

Na višim energijama glavni proces u kome fotoni učestvuju je Komptonov efekat, proces

rasejanja fotona na slobodnom ili slabo vezanom elektronu. Tada foton skreće sa upadnog

pravca pod nekim uglom, a elektron na kome se rasejao pod nekim drugim, pritom foton sa

energijom smanjenom za onaj iznos koji je primio elektron.

Na još višim energijama fotona od preko 10MeV9, počinje da dominira proizvodnja parova. U

ovom procesu foton koji se nađe u jakom polju nekog jezgra može da nestane, a da mesto

njegovog nestanka napusti realni par elektron-pozitron.

Deo energije fotona ekvivalentan dvostrukoj masi elektrona, dakle 2mec2=1,022 MeV, pritom

se potroši na kreaciju masa stvorenih čestica a ostatak preko toga elektron i pozitron odnesu

kao svoje kinetičke energije.

U svim procesima fotoni visokih energija svoju energiju predaju elektronima. Ovi elektroni

dalje jonizuju i ekscitiraju atome sredine, pa za gama zračenje može da se kaže da je

indirektno jonizujuće zračenje.

Intenzitet snopa gama zračenja opada sa prolaskom kroz različite debljine materijala. Pri

prolasku kroz neku sredinu, intenzitet snopa -zračenja eksponencijalno opada sa debljinom

materijala:

I=I0e−μd

I0 – intenzitet zračenja na ulazu u sredinu

I – intenzitet zračenja po prelasku rastojanja d

- linearni koeficijent apsorpcije

d – debljina sloja kroz koji prolazi zračenje

9 ne postoje u zračenjima iz radioaktivnih raspada, ali se obilno nalaze u kosmičkom zračenju

31

Debljina sloja olova od 10cm smanji intenzitet ovakvog gama zračenja oko 1000 puta. Gama

zračenja niže energije su znatno manje prodorna.

Interakcija neutrona i supstance

U elastičnim sudarima sa jezgrima neutroni se prvo uspore pa onda, difundujući kroz

materijal, a pre nego što se raspadnu, najverovatnije budu zahvaćeni od strane nekog

jezgra. Za razliku od ostalih čestica zračenja emitovanih iz radioaktivnih raspada, koje

zanemarljivo interaguju sa jezgrima atoma sredine, neutroni mogu u značajnoj meri da

aktiviraju sredinu, odnosno da u njoj proizvode odgovarajuće radioaktivne izotope.

32

Po prolasku alfa, beta i gama zračenja sredina uz eventualne hemijske promene ostaje

neaktivna, dok po prolasku neutrona dodatno postaje i radioaktivna.

Detekcija radioaktivnog zračenja

Preuzmi Word dokument

Naša čula ne osećaju prisustvo radioaktivno zračenje (dok intenzitet jonizujućeg zračenja ne

postigne vrlo visoke vrednosti). Da bi se otkrila i utvrdila osnovna svojstva radioaktivnog

zračenja potrebni su posebni uređaji – detektori.

Pošto je radioaktivno zračenje otkriveno pomoću fotografske ploče, fotografska ploča se

može smatrati prvim detektorom ovog zračenja. Metoda fotografske ploče je usavršena,

tako da se došlo do primene nuklearnih emulzija, koje su poslužile za detektovanje

nuklearnog i kosmičkog zračenja, kao i za proučavanje nuklearnih reakcija.

Radna sredina u detektorima može da bude bilo koje telo koje pod uticajem radioaktivnog

zračenja primetno menja svoja svojstva. Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz radnu

supstancu, dolazi do različitih promena na čijim se efektima zasniva rad detektora. Različiti

detektori mogu da posluže za merenje različitih karakteristika zračenja.

Glavna merljiva karakteristika svih zračenja je energija čestica koje ga čine. Pošto se iz

svakog procesa emituju zračenja tačno određenih i njemu svojstvenih energija, to se

osobine procesa mogu upoznavati, i procesi identifikovati, prvenstveno merenjem energija

iz njih emitovanih zračenja. Niži nivo informacija dobija se prostim brojanjem čestica

zračenja, odnosno merenjem njegovog ukupnog intenziteta.

Mnoštvo postojećih detektora zračenja moguće je klasifikovati na razne načine. Prema tome

koji fizičke proces je u osnovi njihovog rada, detektori se mogu podeliti u tri grupe:

detektori koji rade na principu jonizujućeg zračenja;

scintilacioni brojači;

nuklearne emulzije.

Može da se izvrši i uslovna podela na vizuelne i električne

VEŠTAČKA RADIOAKTIVNOST

Stabilni izotopi od kojih je izgrađena materija u našem okruženju mogu da se ''aktiviraju'',

odnosno da se transformišu u određeni radioaktivni izotop. Do ovog otkrića su sasvim

33

slučajno došli Irena i Frederik Žolio-Kiri, 1934. godine. Prilikom pručavanja nuklearnih rekcija

sa alfa-česticama primetili su da se kao rezultat reakcije dobija pozitron. Ali, pozitroni su

emitovani i posle uklanjanja izvora alfa-čestica. Zaključili su da je bombardovanjem

proizvedena veštačka radioaktivnost.

Tako dobijeni prvi veštački radioaktivni izotop je bio beta plus10 radioaktivan, pa je tako

istovremeno otkriven i ovaj tip radioaktivnosti, koji inače u prirodnim radioaktivnostima ne

postoji.

Ubrzo posle toga pokazalo da se bombardovanjem i drugih elemenata mogu dobiti

radioaktivni izotopi.

Veštačka radioaktivnost se izaziva pretvaranjem stabilnih atomskih jezgara u nestabilna,

radioaktivna jezgra interekcijom sa alfa-česticama, neutronima, protonima i drugim

česticama.

Prilikom izlaganja običnog aluminijuma alfa česticama emitovanim iz prirodne

radioaktivnosti dobili su radioaktivni fosfor i jedan neutron.

1327 Al+ 2

4 α→1530 P+0

1 n

Taj izotop fosfora se dalje spontano raspada i prelazi u stabilni izotop silicijuma.

1530 P→14

30 Si+e++ν

Vreme poluraspada veštački dobijenog radoaktivnog fosfora je 2,6 minuta.

Veštačka radioaktivnost se može postići svim tipovima nuklearnih reakcija, ali se najčešće

koriste neutronske reakcije. Pri tome se dobijaju beta minus11 radioaktivni izotopi.

10 p→n+e++ν

11 n→ p+e−+ ν̄

34

Primeri:

1123 Na+n→ 11

24 Na→1224 Mg+e−+ ν̄

47107 Ag+n→ 47

108 Ag→ 48108 Cd+e−+ν̄

U odnosu na energiju koju poseduju, neutroni se mogu podeliti u nekoliko grupa.

Navešćemo samo neke od ovih grupa:

- brzi neutroni – poseduju energije veće od nekoliko stotina keV

- neutroni srednjih brzina – energije od 100eV do 100keV

- termalni (spori) neutroni – imaju srednju energiju 0,025eV i srednju brzinu od

2200 ms

Što je brzina neutrona manja, utoliko je veća mogućnost da ih jezgro zahvati (apsorbuje).

NUKLEARNE REAKCIJE

Pod nuklearnom reakcijom podrazumeva se proces pri kojem atomsko jezgro nekog

elementa interaguje sa drugim (obično lakim) jezgrima, slobodnim neutronima ili fotonima

dovoljne energije i pri tome se transformiše u drugo jezgro ili više jezgara emitujući pri tome

čestice ili elektromagnetno zračenje.

Ova interakcija se ostvaruje pod dejstvom nuklearnih sila, kada se čestica približi jezgru (na

rastojanje reda 10-15m).

Ako pri bombardovanju jezgra česticama ne dolazi ni do promene jezgra, ni do promene

čestice, niti do stvaranja drugih jezgara ili emisije čestica, takav proces se naziva rasejanje.

Rasejanje se u užem smislu ne smatra nuklearnom reakcijom, ali se obično izučava u okviru

njih i šire posmatrano spada u nuklearne interakcije.

Najjednostavniji tip nuklearne reakcije je onaj pri kome čestice a interaguje sa jezgrom H, pri

čemu se kao rezultat interakcije, obrazuje jezgro Y i laka čestica b.

35

X+a→Y +bX (a ,b )Y

Primeri:

Prva veštački izazvana transformacija jednog hemijskog elementa u drugi – Raderford 1919.

godine – dokaz o postojanju protona:

24 α+ 7

14 N→ 817 O+1

1 p

Čedvig 1932. godine – dokazao postojanje protona:

24 α+4

9 Be→ 612 C+ 0

1 n

Nuklearne reakcije mogu da se odvijaju i u dve faze, sa obrazovanjem složenog (kompaund)

jezgra.

Z1A1 X+a→ Z 2

A2 Y → Z 3A 3 C+b

Polazna jezgro H (meta) zahvata upadnu česticu a (projektil) i prelazi u složeno (kompaund)

jezgro – međustanje Y. Složeno jezgro se raspada pri čemu oslobađa neke od čestica

(proton, neutron, alfa, beta čestice...) ili emisijom gama kvanta, a može i jednih i drugih.

Nakon toga složeno jezgro prelazi u jezgro C.

Složeno jezgro može da se raspadne na različite načine. Različiti putevi kojima može da se

odvija nuklearna rekcija nazivaju se kanali reakcije. Kojim će kanalom složeno jezgro da se

raspadne zavisi samo od energije pobuđivanja, a ne zavisi od načina njegovog formiranja.

36

Za sve nuklearne rekacije važe zakoni održanja: energije, impulsa, momenta impulsa,

količine naelektrisanja, broja nukleona (ako ne dolazi do obrazovanja antičestica)...

Energija reakcije ili Q vrednost reakcije je razlika ukupne energije mirovanja čestica koje

stupaju u reakciju i ukupne energije mirovanja čestica koje nastaju u reakciji:

Q=mX c2+mac

2−mY c2−mb c

2

Ako je:

Q>0 u nuklearnoj reakciji se oslobađa energije – egzotermna reakcija

Q<0 za odvijanje nuklearne reakcije neophodno je ulaganje energije – endotermna

reakcija

Za endotermnu reakciju postoji neka minimalna energija koju treba uložiti da bi došlo do

reakcije – prag reakcije.

Nuklearne reakcije se mogu klasifikovati i na osnovu projektila koji ih izazivaju i to:

- nuklearne reakcije pri malim energijama (reda eV) – uglavnom se ostvaruju pod

dejstvom neutrona

- nuklearne reakcije pri srednjim energijama (od nekoliko MeV) – dešavaju se pod

dejstvom naelektrisanih čestica (protoni, alfa čestice, deuteron) i gama fotona

- nuklearne reakcije pri visokim energijama (stotine i hiljade MeV) – dovode do

nastajanja čestica koje ne postoje u slobodnom stanju

Proučavanje nuklearnih reakcija imalo je veliku ulogu u upoznavanju atomskog jezgra i

nuklearnih procesa uopšte.

Primeri:

714 N+ 2

4 α→ 918 F→ 8

17 O+ p

714 N (α , p ) 8

17 O

49 Be+ 2

4 α→ 612 C+n

37

12 D+ 1

2 D→13 H+ p

12 D+ 1

2 D→23 He+n

714 N+n→ 6

14 C+ p

614 C→ 7

14 N+e−+ν̄

37 Li+ p→2

4 He+α

Oslobađanje ogromne energije:

- transformacija 1g radijuma (Ra) u olovo (Pb) 0,5t kamenog uglja – ova energija

može da bude praktično iskorišćena, jer se proces transformacije odvija veoma sporo

- transformacija 7g litijuma (Li) u helijum (He) 50t kamenog uglja – u ovoj reakciji se

veoma mali broj jezgara transformiše (verovatnoća – jedan od milion) što je sa

ekonomskog stanovišta neprihvatljivo

AKCELERATORI ČESTICA

Atomska jezgra i elementarne čestice proučavaju se na osnovu analize efekata koji se

javljaju pri njihovim interakcijama – sudarima. Pri sudaru teže čestice su obično u stanju

mirovanja (meta), a lakše u obliku snopa ubrzanih čestica naleću na njih. U nekim

slučajevima čestice se kreću u susret jedne drugima. U svim ovim slučajevima, čestice se

ubrzavaju.

Pri nuklearnim reakcijama, između jezgra i čestice deluju jake nuklearne sile koje dovode do

transformacije jezgra. Da bi nuklearne sile mogle da deluju, čestica treba da se približi jezgru

do dovoljno malog rastojanja. Da bi do toga došlo, često je porebno da se čestice ubrzaju do

veoma visokih energija (nekoliko stotina keV do nekoliko stotina MeV).

Uređaji pomoću kojih se ubrzavaju čestice nazivaju se akceleratori.

38

Akceleratori su uređaji koji, pomoću električnog i magnetnog polja, ubrzavaju naelektrisane

čestice do velikih brzina, nekada čak i do brzina koje su nešto manje od brzine svetlosti. Ovi

uređaji omogućuju ispitivanje atomskog jezgra, strukture protona i neutrona, sila koje te

čestice drže na okupu ...

U akceleratorima se najčešće ubrzavaju elektroni, protoni i jezgra lakih elemenata

(deuteroni i alfa čestice), ali postoje i akceleratori u kojima se ubrzavaju i teži joni (ugljenik,

azota, kiseonik...).

Kad akcelerator ubrzava neku česticu on joj povećava energiju, a ta energija je ono što je

potrebno za dalja istraživanja. Pored energije, bitna karakteristika akceleratora je i broj

čestica u jedinici vremena po jedinici površine snopa.

Suština eksperimenata u akceleratorima je da se čestice velikom brzinom sudare sa drugim

česticama ili atomskim jezgrima. Prilikom tih sudara složene strukture se raspadaju na sve

sitnije i delove. Osim toga što sudari omogućavaju da vidimo “sastavne delove” neke

složene čestice od energije koja se oslobodi mogu nastati i neke druge čestice koje nisu

ulazile u sastav onih koje su se sudarile.

Akceleratori su veoma složeni sistemi. Prema vrsti čestica koje ubrzavaju, razlikuju se:

elektronski, protonski i jonski akceleratori. Zavisno od oblika cevi mogu da budu linerani ili

cirkularni (prstenasti).

Prvi akceleratori su uglavnom bili linearni. Princip rada im je vrlo jednostavan. Čestice su

ubrzavane razlikom potencijala.

Jedan od prvih akceleratora naelektrisanih čestica je Kokroft-Valtonov (Cockroft-Walton)

akcelerator (konstruisan 1930. godine). Akcelerator se sastoji od izvora jona, akceleratorske

cevi (dužine do 20 metar) u kojoj se vrši ubrzavanje, specijalnog izvora visokog napona koji

je na specijalan način priključen na sistem akceleratorskih elektroda i sistema detektora.

Suštinu ovog akceleratora čini upravo izvor napona i sistem elektroda koje ubrzavaju jone.

Ostvarili su napon od približno milion volti.

39

Današnji linearni akceleratori se konstruišu na nešto drugačiji način. U pravoj vakumskoj

cevi, koja može da bude dugačka i nekoliko kilometara, nalaze se cilindrične elektrode koje

su povezane na polove naizmeničnog izvora visokofrekventnog napona. Na početku cevi

nalazi se izvor čestica koje treba ubrzati, dok je meta postavljena na drugi kraj cevi.

Naelektrisane čestice se kreću od izvora ka meti. Dok se kreću između elektroda na njih

deluje električno polje i ubrzava ih.

Brzina odnosno energija koju će čestica imati na izlasku iz akceleratora najviše zavisi od

dužine samog akceleratora – što je akcelerator duži, energija je veća. Pošto se u ovim

akceleratorima čestice mogu ubrzati i do relativističkih brzina, prilikom njihove konstrukcije,

u obzir moraju uzeti i relativistički efekti porasta mase, kontrakcije dužine i dilatacije

vremena. Najpoznatiji linearni akcelerator, koji se nalazi na univerzitetu Stenford, dugačak je

3,2 kilometra. U njemu se postižu energije od 20 GeV.

Najveći nedostatak linearnog akceleratora je potreba za velikim dimenzijama, ali njihova

ogromna prednost je to što je gubitak energije vrlo mali.

Linearni akceleratori su dugo igrali glavnu ulogu u fizici čestica a onda su počeli da ih

zamenjuju kružni akceleratori.

Prvi tip kružnog akceleratora je ciklotron. Ovaj akcelerator ubrzava elektrone, protone i lake

jone do energija pri kojima se relativistički efekti mogu zanemariti. Prvi ciklotron konstruisao

je Ernest Lorenc (Univerzitet Berkli, 1929. godine). U početku, ciklotron je bio mali

laboratorijski uređaj, a tek kasnije je dostigao ogromne dimenzije.

Cilotron sastoji se od kružne metalne kutije presečene na polovini (duanti). Čestica koja se

ubrzava kreće iz centra ciklotrona. Ona počinje da kruži. Kada se nađe između duanata, koji

su različito naelektrisani, na nju deluje električno polje i ubrzava je. Ubrzana čestica uleće u

šuplji duant, u kome magnetno polje savija njenu putanju. Čestica se kreće po polukružnoj

putanji i izlazi na drugi kraj polukruga. Dok je putovala po ovom polukrugu polaritet duanata

je promenjen i električno polje između njih opet ubrzava česticu i ceo proces se opet

40

ponavlja. Ubrzavajući, čestica se kreće po spiralnoj putanji. U jednom trenutku poluprečnik

putanje postaje veći od poluprečnika duanta i ona napušta akcelerator. Na mestu gde

čestice napuštaju akcelerator postavlja se željena meta. Ciklotron može da ubrza čestice do

oko 10MeV.

41

Malim modifikacijama ciklotrona dobijen je akcelerator koji je poznat kao fazotron

(sinhrociklotron). Fazotron omogućava ubrzanje čestica do relativističkih energija. Za razliku

od sinhrotrona gde je frekvenca kojom se menja polaritet duanata uvek ista, kod fazotrona

ova frekvenca se sporo menja tokom ubrzanja, tako da frekvenca polja odgovara frekvenci

obrtanja čestice, koja se smanjuje zbog relativističkih efekata.

Sledeći tip kružnih akceleratora je betatron. Za ubrzanje elektrona ovaj akcelerator koristi

vrtložno električno polje, koje se indukuje promenljivim magnetnim poljem. Za razliku od

ciklotrona gde su se čestice kretale po spiralnoj putanji kod betatrona elektroni opisuju

kružne putanje stalnog poluprečnika. Konstrukcija betatrona je kombinacija elektromagneta

i vakumske cevi u obliku torusa.

Možda jedan od najznačajnijih tipova akceleratora je sinhrotron. Ovo je kružni akcelerator

sa česticama čije orbite imaju približno konstantan radijus, pri čemu se frekvencija

električnog polja kojim se elektroni ubrzavaju ne menja, ali se menja intenzitet magnetnog

polja koje održava stabilnost orbite.

Ovaj tip akceleratora ima vrlo složenu konstrukciju. Jedan od najvećih problema koji otežava

konstrukciju sinhrotrona je tzv. sinhrotronsko zračenje. Sve naelektrisane čestice koje se

kreću ubrzano, po krivoj putanji, emituju elektromagnetno zračenje i gube energiju. Energija

42

koja se emituje na ovaj način raste sa porastom brzine čestice i otežava ubrzavanje čestice.

Za fiziku čestica ovo predstavlja nepremostiv problem koji je poslednjih godina naučnike

naterao da opet razmišljaju o konstrukciji linearnih akceleratora ogromnih dimenzija.

Sinhrotrono zračenje je veliki problem za fiziku čestica ali istovremeno ono je vrlo moćan

alat u nekim drugim oblastima nauke kao što su medicina, biologija, fizika materijala itd.

Posebna vrsta sinhrotrona su takozvani sudarači čestica (kolajderi). Kolajderi su akceleratori

u kojima se dve vrste čestica istovremeno ubrzavaju i međusobno sudaraju. Na ovaj način

ostvaruju se mnogo intenzivniji sudari nego oni kada je meta nepokretna.

U poslednjih nekoliko godina akceleratori su postali vrlo moćne mašine. Uspeli su da

preseku atom na sitnije delove nego što je iko mogao i da zamisli pre nekoliko decenija. A

istraživanja nastavljaju da idu dalje.

Najvažniji svetski akceleratorski centri današnjice su: za nuklearnu fiziku GSI u Darmštatu,

Nemačka, Dubna, u blizini Moskve, Rusija, Berkli u Kaliforniji, SAD, a za fiziku elementarnih

čestica CERN (Evropski centar za nuklearna istraživanja) u Ženevi, Švajcarska, Fermilab u

blizini Čikaga, Ilinois, SAD, SLAC u Stanfordu, Kalifornija, SAD, DESY u Hamburgu, Nemačka.

Kada su u pitanju fundamentalna istraživanja, sve ove instalacije danas su internacionalne. U

finansiranju njihove izgradnje i kasnijeg rada učestvuje veći broj država, a timovi istraživača

broje mnoge stotine ljudi.

LHC (''veliki hadronski sudarač''), protonski sinhrotron obima 27 kilometara koji se nalazi na

100 metara pod zemljom, u kome se protoni ubrzavaju do energije od 7 TeV, u dva suprotno

usmerena snopa, koja se zatim centralno sudaraju. Pošto je ova energija skoro 10000 puta

veća od mase protona znači da će se pritom u svakoj interakciji moći da kreira otprilike

toliko čestica mase slične masi nukleona, ili nekoliko čestica sa masama hiljadama puta

većim od mase nukleona.

Napomena: Za potrebe nuklearne fizike koriste se niskoenergetski akceleratori (energija do

nekoliko desetina MeV), za istraživanja u oblasti fizike elementarnih čestica koriste se

visokoenergetski (reda GeV, a noviji do desetak TeV).

43

NUKLEARNA ENERGETIKA

Nuklearna energija je energija koja se oslobađa iz atomskog jezgra. Kontrolisane nuklearne

reakcije u kojima se oslobađa nuklearna energija koriste se u reaktorima za dobijanje

električne energije. U nuklearnoj lančanoj reakciji se proizvodi energija koja se koristi za

grejanje vode kako bi se proizvela para koja kasnije pokreće parnu turbinu. Turbina se može

koristiti za mehanički rad kao i za proizvodnju električne energije.

Osnovni uslovi koji moraju da se ispune da bi se nuklearne rekcije koristile za dobijanje

energije su:

- reakcija mora da bude egzotermna;

- supstance koje učestvuju u reakcijama moraju da budu prisutne u dovoljnim

količinima;

- reakcija mora da bude ostvarljiva u makroskopskim uslovima.

Moguća su dva nuklerna procesa:

- cepanje ili fisija teških jezgara na nekoliko lakših;

- spajanje ili fuzija lakših jezgara u jedno teško.

NUKLEARNA FISIJA

Fisija je proces cepanja ( deobe ) teškog atomskog jezgra pri čemu se deo mase tog jezgra

pretvara u energiju.

Spontana fisija se javlja veoma retko. Postoje procesi-nuklearne reakcije koji mogu da izazovu

cepanje jezgra.

Cepanje jezgra ne može da se izvrši elektronima jer su pored ostalog veoma male mase. Protoni

imaju dovoljnu masu, ali su pozitivno naelektrisani pa ih jezgro odbija ( pošto je i ono pozitivno

44

naelektrisano). Da bi se jezgro moglo razbiti protonima, oni treba da imaju veliku brzinu, što unosi

posebne poteškoće.

Za cepanje jezgra najpogodniji su neutroni, jer su elektroneutralni i imaju dovoljno veliku masu.

Razbijanje jezgra najbolje se postiže sporim neutronima. Zato se neutroni prethodno propuštaju kroz

supstanciju koja ih usporava. Ovi usporivači neutrona nazivaju se moderatori. To su najčešće grafit,

teška ili obična voda.

Cepanje je posledica bombardovanja jezgra neutronom, pri čemu dolazi do zahvata

neutrona. Posledica je da jezgro prelazi u jako nestabilno stanje koje izaziva njegovu deobu

na najčešće dva ili retko na tri manja i nejednaka jezgra, pri čemu biva emitovano 2 do 3

neutrona i velika količina energije u vidu svih elektromagnetnih talasa, ali najviše u vidu -

zraka.

Ova dva novonastala jezgra imaju redne brojeve koji stoje u približnom odnosu 3 : 2.

Verovatnoća da odnos rednih brojeva bude zanačajno drugačiji je izuzetno mala.

45

Fisiji nisu sklona sva teška jezgra. Od onih koja se najčešće upotrebljavaju su: uran-235,

plutonijum-239 i torijum-232.

Primer - fisije uranijuma-235 onako kako se ona realno dešava:

92235U+0

1n→57150 La+35

83 Ba+3⋅01n+E

92235U+0

1n→55140Cs+37

94 Rb+2⋅01n+E

U opštem slučaju:

92235U+0

1n→Z1

A1X +Z2

A2 ¿Y +(2−3 )⋅01 ¿n+E ¿¿

Ono što je ovu reakciju učinilo upotrebljivom za proizvodnju energije je emisija nekoliko

neutrona koji mogu izazvati nova cepanja i tako otpočeti lančanu reakciju, koja omogućava

da ovaj proces kada se jednom započne traje sve dok ima jezgara za nova cepanja.

46

Neutroni koji su izašli iz prvog razbijenog jezgra pogađaju druga i izazivaju njihovo cepanje.

Zatim neutroni iz ovih jezgara udaraju u susedne i td. Tako nastaje lančana reakcija. Ova

reakcija je vrlo brza. Cepanje jezgara atoma sadržanih u 1kg U235 izvrši se za nekoliko

milionitih dela sekunde.

47

Za održavanje lančane reakcije, osim usporavanja neutrona, potrebno je da se obezbedi i

dovoljna količina fisione supstance (U235), jer bi u suprotnom neutroni izletali napolje i lanac

bi se prekinuo. Ta minimalna masa fisione supstance, koja omogućava lančanu reakciju,

naziva se kritična masa. Ona nije konstantna, već zavisi od vrste urana, relativne količine

moderatora i prisustva primesa koje apsorbuju neutrone. Ako je masa manja od kritične,

neutroni se gube većom brzinom nego što se nadoknađuju fisijom, pa lančana reakcija ne

može da se održi.

Oslobođena energija je ogromna:

pri cepanju jednog jezgra urana oslobađa se energija oko 200 MeV (1eV=1,6 10-19J)

energija 1kg U235 = energija 3000 tona uglja

energija 1kg U235 = energija 2000 tona nafte

Kada je reakcija lančana, onda se dešava ogroman broj cepanja jezgara, pa se dobija velika

energija.

Neutroni koji održavaju lančanu reakciju u reakciji fisije su prirodno vrlo brzi, pa ih je

potrebno usporiti, ali takođe i smanjiti njihov broj da ne bi došlo do nekontrolisanog

ubrzavanja reakcije, koje bi na kraju dovelo do eksplozije nuklearnog reaktora. Za

48

usporavanje neutrona služe teška voda, grafit i neka jedinjenja berilijuma, a za apsorpciju

viška neutrona služe bor i kadmijum. Međutim lančana reakcija može početi i da se gasi, pa

zbog toga u reaktorima postoje ogledala za vraćanje neutrona u fisiono gorivo. Ova

reflektori neutrona su obično od berilijuma.

Očigledno je da se atomskoj bombi usporavanje i apsorpcija neutrona ne vrše, ali se zato

koriste reflektori neutrona.

Postoje i drugi procesi pri kojima se oslobađa ogromna energija, ali se ne mogu upotrebiti u

komercijalne svrhe. Jedan takav proces je:

37 Li+1

1 p→24 He+2

4 He+Q .

Međutim reakcija ne produkuje nove protone koji bi uspostavili lančanu reakciju, pa se

litijum mora neprekidno bombardovati iz spoljašnjeg izvora protona, a pri tome tek svaki

milioniti proton pogodi jezgro litijuma, tako da se u energetskom smislu proces ne isplati.

Kao podatak – transformacijom samo 7 grama litijuma u helijum, ovim procesom, oslobađa

se toplota jednaka toploti koja bi se oslobodila pri sagorevanju 50 tona kamenog uglja.

49

Dodatak 1:

Do otkrića procesa nuklearne fisije došlo je pred početak Drugog svetskog rata. Naučnici su

pokušavajući da pomoću "dodavanja" neutrona dobiju jezgra sa rednim brojem većim od 92,

otkrili prisustvo lakših elemenata. Jedini način da se to objasni je prihvatanje mogućnosti

cepanja jezgra urana na jezgra lakših elemenata, kada ono zahvati neutron.

U to vreme glavna Fermijeva ideja je bila da dobije elemente teže od urana, tako što bi uran

izlagao fluksu neutrona, pri čemu bi i izotopi urana, kao i svi ostali, zahvatom neutrona

postali beta minus radioaktivni izotopi urana. Takav njihov raspad bi ih zatim transformisao

u izotope elementa rednog broja 93, koji ne postoji u prirodi i koji bi bio prvi transuran (svi

elementi teži od urana jednim imenom zovu se transurani). Identifikacija ovakvog ishoda se

međutim pokazuje vrlo složenom i teškom jer zahteva prepoznavanje hemijskog ponašanja

vrlo male količine stvorene supstance. U pokušajima da ustanovi ishod ozračavanja urana

neutronima vrlo blizu uspeha bio je, radeći sa Irenom Kiri u Parizu i naš Pavle Savić. No

Berlinski tim, na čelu sa Oto Hanom, sve je iznenadio kada je, neposredno pred drugi svetski

rat, objavio da je u produktima ovog ozračavanja prepoznao lantan i barijum, elemente sa

sredine periodnog sistema. Članovi njegovog tima, Liza Majtner i Oto Friš, koji su bili Jevreji i

na vreme izbegli u Švedsku odnosno Dansku, odmah su shvatili da se ovde radi o cepanju

uranovog jezgra na dva dela koje je indukovano zahvatom neutrona, i taj proces nazvali

fisijom. Nedugo zatim, kada je shvaćeno da otkriće ovog procesa pruža dotad neviđene

mogućnosti za oslobađanje ogromnih iznosa nuklearne energije, sve što je imalo ikakve veze

sa nuklearnom fizikom proglašeno je državnom tajnom, i tokom sledećih deset godina

nijedno otkriće iz te oblasti nije objavljivano.

U decembru 1938. godine nemački fizičari Oto Han i Fric Štrasman su objavili

eksperimentalne rezultate bombardovanja atoma urana neutronima. Međutim, u ovom

otkriću mnogi neopravdano zanemaruju ulogu Lise Majtner koja je, zbog opasnosti po život,

prebegla iz Nemačke.

Oto Han je dobitnik je Nobelove nagrade za hemiju 1944. za ''otkriće cepanja (fisije) teških

atomskih jezgara''.

50

Dodatak 2: Osiromašeni uranijum

Uran je prirodni elemenat koji se nalazi svuda oko nas. Na 1 tonu zemljišta prosečno dolazi

0.5-5g prirodnog urana. Na onim mestima gde ga ima više od 0.1 % ekonomično je otvaranje

rudnika urana jer je on osnovno gorivo nuklearne energetike. Da bi se uran mogao

komercijalno koristiti, neophodno je izvršiti njegovu koncentraciju. Prirodni uran (uranijum)

se javlja u obliku 2 izotopa U-235 (manje od 1%) i U-238 (preko 99%), koji su u hemijskom

pogledu isti, a razlikuju se samo po nuklearnim karakteristikama. Izotop U-235 podleže

spontanom razdvajanju jezgra pod uticajem termičkih neutrona. Izotop U-238 prima

neutrone usled čega se pretvara u Pu-239 (plutonijum). Uran U-235 (odnosno onaj koji se

koristi u komercijalne svrhe) emituje najviše gama zrake, a uran U-238 najviše zrači u alfa

spektru.

Povećavanjem sadržaja U-235 u odnosu na U-238 naziva se obogađenjem, a suprotno

osiromašenjem. Osiromašeni uran je u stvari uran u kome se nalaze najmanje količine U-

235, a najveći udeo je U-238. Osiromašeni uran je, u veštačkim uslovima, nuklearni otpad,

ostatak od urana koji je korišćen u nuklearnim centralama. U svetu ga ima oko milion tona.

Alfa zraci koje emituje osiromašeni uran su znatno kraćeg dometa (svega nekoliko

milimetara od čestice-izvora zračenja) ali su zato 20 puta opasnije za žive organizme kada

dođu u kontakt sa tkivom. Osiromašeni uran je veoma opasan, zato što je radioaktivan i zato

što je otrovan.

Municija na bazi osiromašenog urana namenjena je za gađanje protivničkih tenkova i

skloništa. Realizuje se u više različitih kalibara (od 7.6mm pa i preko 120mm). Bitan deo ove

municije je udarna igla (penetrator) napravljena od legure u kojoj je dominantno prisustvo

osiromašenog urana. Formalni razlog korišćenja ovakve municije je objašnjenje da je

osiromašeni uran najteži prirodni elemenat (1,7 puta je teži od olova) te da će se njegovom

ugradnjom na vrh granate dobiti njena veća probojnost. Prećutkuje se, međutim, da se na

ovaj način zemlje proizvođači ovakvog oružja oslobađaju ogromnih količina nuklearnog

otpada otvarajući tako novi vid savremenog nuklearnog ratovanja. Do jugoslovenskog rata je

najčešća bila primena municije kalibra 30mm, koja se ispaljuje iz topova sa aviona A-10, AV–

51

8B HARRIER, ili iz tenkova. Pomenutim kalibrom 30mm probija se čelik debljine do 6-7cm. U

njemu ima 292g osiromašenog uranijuma.

Pored čisto mehaničkog dejstva, municija na bazi osiromašenog urana, zbog radioaktivnosti

urana ima i radiološko dejstvo na ljude, kao i uticaj na životnu sredinu. Za procenu ovog

dejstva bitno je uočiti šta se dešava sa udarnom iglom u trenutku udara o čvrstu metu kakva

je tenk ili neka betonska struktura. Na mestu pogodka pojavljuju se:

ostaci velikih (desetine grama) komada udarne igle;

ostaci malih (grami) parčića udarne igle;

krupni čestice (preko 10m);

aerosolne čestice nastale sagorevanjem dela udarne igle.

Prve tri vrste čestica sačinjene su od metalnog urana (sa dodacima retkih metala), relativno

su teške i padaju u neposrednoj okolini (desetak metara). Ove čestice mogu intenzivno

reagovati sa tečnostima u okolini i na taj način zagaditi površinske i dubinske vode kao i

samo zemljište.

U slučaju čeonog pogodka mete, na mestu udara javljaju se visoke temperature – oko

12000C. Metalni uran gori na 700 stepeni Celzijusa. Deo udarne igle (5-70%) gori pa nastaju

uran dioksid, uran trioksid i U3O8.

Zbog naglog hlađenja dolazi do procesa formiranja aerosola odnosno fine uranijumske

magle. Najveći broj ovih čestica je veoma mali i ima prečnik ispod 2.5m. Proces hlađenja je

takav da ova uranijumska magla ima čestice u keramičkoj formi koje imaju malu

rastvorljivost u vodi i telesnim tečnostima. Od ovoga bitno zavisi mehanizam delovanja ovih

aerosola na živi svet. Najveći broj nastalih čestica i aerosola pada na zemljište u neposrednoj

okolini mesta pogodka. Na rastojanjima većim od 200m njihov broj je manji, iako se

preciznim merenjima mogu konstatovati i na udaljenostima od više desetina kilometara jer

se, obzirom na svoju malu dimenziju, čestice se lako raznose vetrom.

Štetno dejstvo osiromašenog urana može biti izazvano spoljašnjim ili unutrašnjim

ozračenjem. Spoljašnje ozračenje je značajno, pre svega, u slučajevima kada se cela udarna

52

igla ili njen deo nađe u blizini ljudi. Ukoliko se ovakva udarna igla nalazi neposredno u

kontaktu sa kožom, zbog prisustva alfa i beta zračenja moguće su promene na koži. Ovakvi

slučajevi su retki i mogu se izbeći.

Unutrašnje ozračenje se znatno teže izbegava i mnogo je opasnije. Osnovnu opasnost

predstavlja udisanje čestica u neposrednoj okolini pogođenog objekta. Međutim, treba imati

u vidu da sitne čestice urana prodiru u zemlju i vodu i na taj način indirektno i dugoročno

kontaminiraju čitav lanac ishrane. Vreme poluraspada osiromašenog urana je 4,5 milijardi

godina što praktično znači da uran ostaje večno. Najveću količinu osiromašenog uranijuma u

organizam unose vojnici i ljudi koji su se našli u neposrednoj okolini pogođenog mesta u

trenutku udara. Nije isključeno da su u tim slučajevima udahnuli i stonine grama

osiromašenog uranijuma. Jednom unešen u organizam, uran ugrožava tkiva u direktnom

kontaktu gde su najizloženiji jetra, bubrezi ali i drugi vitalni organi, uključujući pluća,

kičmenu moždinu, itd. Inhalirani aerosoli imaju rastvorljivu i nerastvorljivu komponentu. Od

rastvorljive komponente osiromašenog uranijuma moguće su akutne posledice izazvane

hemotoksičnošću urana odnosno posledice trovanja. Posledice radiotoksičnosti mogu

dovesti do rizika od kancera. Ovaj rizik iznosi oko 5% po sivertu (0.05% po milisiveru).

Poređenja radi, ukupan rizik od smrti usled kancera iznosi 20%.

U kasnijim fazama posle udara, naročito pri saniranju posledica, nije isključeno i dodatno

udisanje čestica iz okoline mesta udara. Razlog je podizanje radioaktivne prašine sa zemljišta

izazvano vetrom ili kretanjem vozila. Ekvivalantne doze u ovim slučajevima su manje i teško

mogu preći desetinu mikrosiverta.

Ukoliko je meta promašena, mali procenat osiromašenog uranijuma preći će u fazu

nerastvorljivih aerosola. Metalni uran će se naći u zemljištu gde je moguća reakcija sa

vodom. U zavisnosti od geološke situacije lako je moguće zagađenje čak i podzemnih voda.

Ovo mora da se detaljno izuči na svakoj lokaciji posebno.

Udisanje čestica osiromašenog uranijuma se povezuje sa dugoročnim posledicama na

zdravlje, uključujući oboljenja od raka, genetske deformacije, neurološka oboljenja,

53

oboljenja bubrega i oštećenje imunog sistema. Ovi efekti mogu da se jave tek nekoliko

godina posle kontaminacije.

NUKLEARNI REAKTORI

Otkriće lančane rekacije omogućio je oslobađanje ogromnih količina energije. Naglo i

nekontrolisano oslobađanje energije u deliću sekunde dovodi do eksplozije ogromnih

razmera – kao u nuklearnoj (atomskoj) bombi. Tom prilikom temperatura može da iznosi i

nekoliko miliona kelvina.

Pronađen je način da se ovo oslobađanje energije kontroliše i uspori. To se postiže pomoću

nuklearnih reaktora. Oni su stalan izvor nuklearne energije koja može da se koristi za

različite svrhe – za proizvodnju električne energije, za pogon brodova i podmornica, za

dobijanje veštačkih radioaktivnih elemenata ( u unutrašnjost reaktora, gde je veoma jako

radioaktivno zračenje, ubace se neki elementi- kalcijum, jod, fosfor, kobalt, stroncijum, koji

posle izvesnog vremena postaju radioaktivni).

Toplota oslobođena pri nuklearnim reakcijama koristi se za zagrevanje vode, koja se pod

visokim pritiskom pretvara u vodenu paru. Pomoću ove pare pokreću se turbogeneratori u

nuklearnim elektranama.

Osnovni delovi nuklearnog reaktora su:

- nuklearno gorivo (obično u obliku šipki);

- izvor neutrona – koji pokreće reakciju;

- usporivač (moderator) neutrona;

- upravljačke šipke (sistem za regulaciju reakcije);

- sistem za hlađenje – kojim se odvodi oslobođena toplota iz rezervoara;

- reflektor – unutrašnji zid reaktora obložen nekim materijalom koji dobro reflektuje

neutrone;

- adekvatna zaštita od radioaktivnog zračenja.

54

Nuklearni raktor se sastoji od jednog velikog kontejnera u kome se nalaze šipke uranijuma

U235. Između šipki od uranijuma nalaze se šipke od kadmijuma ili bora, kojima se kontroliše

nuklearna rekcija. Rezervoar je bočno obložen, zbog zaštite, slojem grafita i slojem betona

debljine preko 2 metra. Reaktor počinje da radi čim se u njega unese dovoljan broj šipki od

urana. Pošto se uranova jezgra raspadaju sama od sebe, uvek postoji dovoljan broj neutrona

koji započinju lančanu reakciju. Za usporavanje neutrona (kao moderator) može da se koristi

grafit, teška ili obična voda. Usporivač neutrona je neophodan zato što se u reakcijama fisije

dobijaju brzi neutroni. Da bi cepanje jezgara bilo što uspešnije smanjuje se brzinu neutrona.

Unutrašnji zid reaktora može biti obložen nekim materijalom koji dobro reflektuje neutrone

i vraća ih u aktivnu sredinu. Takvu osobinu ima berilijum.

Betonska obloga (posebna vrsta betona i gvožđa) služi kao biološka zaštita od opasnih

radioaktivnih zračenja.

Šipke od kadmijuma ili bora imaju osobinu da upijaju neutrone. Uvlačenjem ovih šipki

između šipki od urana reguliše se lančana reakcija time što se upija manji ili veći broj

neutrona. Kada se potpuno uvuku ove šipke između šipki od urana obustavlja se lančana

reakcija, a njihovo potpuno izvlačenje izaziva naglu reakciju u vidu eksplozije.

55

Reaktor se pušta u rad izvlačenjem šipki od kadmijuma odnosno bora.

U toku rada reaktora oslobađa se toplota koja zagreva vodu. Sistemom za hlađenje se iz

reaktora odvodi toplota. Reaktor može da se hladi vodom koja struji kroz cevi postavljenih

oko uranijumskih šipki.

Najčešće se koriste kao izvor toplote sa pogon parnih turbina u nuklearnim elektranama, čiji

je princip rad sličan klasičnim centralama na ugalj.

U prirodi ima malo uranijuma U235, koji je pogodan za rad nuklearnih reaktora, a ima

značajno više U238. U238 se teško cepa i ne može da se upotrebi kao gorivo za reaktore. Ako

U238 se stavi u unutrašnjost reaktora koji već radi, pod uticajem zračenja on se pretvara u

U239– plutonijum koji je odlično gorivo za nuklearne reaktore.

U institutu u Vinči se nalazio nuklearni reaktor snage 10MW, koji se koristio za naučna

istraživanja i proizvodnju veštačkih radioaktivnih izotopa.

1. kontrolne šipke2. biološka zaštita3. zaštita4. moderator neutrona5. nuklearno gorivo6. prevodilac toplote

56

Nuklearni reaktor - postrojenje u kojem se odbija kontrolisana lančana reakcija fisije

teških jezgara.

Najveća opasnost preti: od nesreća u nuklearnim elektranama ( Černobil, …), od nuklearnog

otpada i na kraju od neposrednog zračenja kojem je izloženo područje neposredno oko

elektrane.

Radioaktivni otpad su jezgra onih izotopa koji nastaju cepanjem početnih jezgara nuklearnog

goriva. To su elementi iz sredine periodnog sistema, međutim dobijeni izotopi su visoko

radioaktivni. Radi se o tome da svako od tih jezgara ima znatan višak neutrona, čega se

jezgro rešava – raspadom. Dobijeni produkti fisije nemaju nikakvu upotrebnu vrednost, a

visoko su radioaktivni. Ovaj otpad se smešta u olovnu burad i skladišti se daleko od

naseljenih mesta i negde gde ga je moguće hladiti, zato što se pri radioaktivnim raspadima

ovaj materijal zagreva, pa postoji opasnost da se ova burad istopi. Najčešće se radioaktivni

otpad stavlja u duboka okna napuštenih rudnika sa jakom ventilacijom, ali Amerikanci ovu

57

burad potapaju u Tihi okean na dubini od oko 300 m. Jedini pravi način da se oslobodimo

ovog izuzetno opasnog materijala je napuniti raketu njime, a onda je lansirati u Sunce,

međutim ovaj način je izuzetno skup.

Velika polemika u svetu se vodi oko opasnosti od zračenja za neposrednu okolinu nuklearne

elektrane. Ovaj problem je nemoguće savršeno dobro rešiti, zato što svi materijali koje

izložimo radioaktivnom zračenju postanu posle nekog vremena i sami radioaktivni, pa tako i

zaštitni zidovi reaktora.

FUZIJA - TERMONUKLEARNE REAKCIJE

Nuklearna energija može da se oslobodi i pri spajanju atomskih jezgara lakih elemenata u

jedno novo, teže atomsko jezgro. Ova proces se naziva nuklearna fuzija.

Da bi se ostvarila nuklearna fuzija, u kojoj se lakša jezgra spajaju u teža, potrebno je da se

jezgra dovedu na vrlo malo rastojanje (manja od 10 -15 metara). Tada među njima počinje da

deluje privlačna jaka nuklearna sila. Ali, pošto su jezgra naelektrisana pozitivno, potrebno je

savladati ogromnu Kulonovu silu odbijanja istoimenih naelektrisanja (Kulonova barijera),

koja je utoliko veća ukoliko su rastojanja među česticama manja. Jedan od uslova je da se

čestice kreću velikim brzinama, od više stotina kilometara u sekundi. Takve brzine mogu se

realizovati na temperaturama koje su reda veličine 107 K (termonuklearna fuzija). Ukoliko su

termalne brzine male, čestice će se rasejavati pre nego što dospeju do rastojanja na kojima

privlačna sila postaje jača od odbojne Kulonove sile. Za fuziju dva protona potrebne su

energije od 1MeV. Gas može da ima i više temperature, pri čemu će veći broj čestica

(protona) učestvovati u reakciji.

Primer:

- Dva protona i dva neutrona bi mogli da obrazuju jezgro helijuma, ali je potrebno da se ta

četiri nukleona približe jedan drugom na vrlo malo rastojanje, jer na tom malom rastojanju

deluju privlačne nuklearne sile neophodne za formiranje jezgra.

58

- Jedna reakcija fuzije koja obećava je stapanje teških izotopa vodonika, deuterijuma i

tricijuma. U reakciji nastaje jezgro helijuma i jedan neutron, a oslobađa se ogromna količina

energije.

Korišćenje nuklearne fuzije ostvareno je dosada samo u termonuklearnim bombama –

vodonične ili hidrogenske.

Procesi fuzije neprekidno teku u unutrašnjosti zvezda. U zvezdama vladaju velike

temperature i ogromni pritisci. Pri ovakvim uslovima u zvezdama ne postoje ni atomi ni

molekuli, već samo ogoljena jezgra i slobodni elektroni. Ovakvo, posebno stanje supstancije

naziva se plazma.

Fuzija se u prirodi dešava u zvezdama, koje na taj način proizvode energiju. Kada nastanu,

zvezde se sastoje uglavnom od vodonika, a njegovom fuzijom u helijum zvezda proizvodi

energiju dok se nalazi u svojoj stabilnoj fazi.

Sledeća relacija bi bila najjednostavniji primer fuzione reakcije:

H12+H1

2→He24+E .

Sa E je obeležena energija koja se oslobađa pri ovom procesu.

U procesu nuklearne fuzije dva laka jezgra u jedno novo jezgro oslobađa se veća energija po

jednom nukleonu nego pri nuklearnoj fisiji.

Primer: Stvaranje jezgra helijuma fuzijom deuterijama i tricijuma uz oslobađanje neutrona:

12 D+ 1

3T→ 24 He+0

1 n

Ukupna energija oslobođena u ovoj reakciji iznosi oko 17,6MeV, odnosno 3,5MeV po

nukleonu. Pri fisiji jezgra atoma urana izdvaja se ukupna energija oko 200MeV, što iznosi

59

oko 0,85MeV po nukleonu. Znači, pri fuziji se oslobađa oko četiri puta veća energija po

nukleonu.

Da bi došlo do reakcije fuzije potrebno je da se početno gorivo nalazi u uslovima izuzetno

visoke temperature i ogromnog pritiska.

Pošto uslove koji vladaju u središtu zvezda ne možemo da stvorimo na Zemlji, ono najbolje

što možemo da uradimo jeste da ubrzamo što veći broj jezgara i da ih pri tome međusobno

sudaramo.

Stanje materije koju čine atomska jezgra u tom slučaju nazivamo plazmom. U takvim

sudarima može doći do fuzije, ali još nije poznato kako bi se brza jezgra koja čine plazmu

mogla držati na okupu.

Nemogućnost efikasnog zadržavanja plazme u termonuklearnim reaktorima osnovni je

problem izgradnje nuklearnih reaktora na principu fuzije.

Tokom poslednjih decenija bilo je više pokušaja da se napravi tokamak, uređaj koji

magnetnim poljem zadržava plazmu u obliku torusa (oblik automobilske gume ili đevreka).

Procenjuje se da je taj oblik najpogodniji za kontrolisanje plazme u kojoj se odvija fuzija, ali

je izgradnja takvog uređaja povezana s velikim tehnološkim problemima.

Godine 2010. otpočeta je izgradnja najvećeg svetskog tokamaka u mestu Kadaraš u

Francuskoj.

Trebalo bi da energija dobijena fuzijom po kilogramu utrošenog goriva bude mnogo veća

nego kod fisionih reaktora. Ipak, osnovne prednosti fuzije u odnosu na druge izvore energije

bili bi mnogo manje zagađenje okoline i neuporedivo veće zalihe goriva (deuterijuma ili

litijuma). S današnjom potrošnjom električne energije litijuma ima dovoljno za sto miliona

godina, a deuterijuma za još mnogo više.

60

U fuzionim ( vodoničnim, hidrogenskim ili termonuklearnim ) bombama potrebna početna

temperatura i početni pritisak se stvaraju eksplozijom fisione ( atomske, uranijumske,

plutonijumske ili nuklearne ) bombe, kao upaljača.