Fyzika atomového jádra

Jádro

• centrální část atomu, výrazně malá ve srovnání s obalem, průměr jádra je asi 10^-15 m
• tvoří skoro celou hmotnost atomu

Složení jádra

• jádro je složeno z částic – nukleonu – jejich počet označuje nukleonové číslo – A(A = Z+N), nukleony se dělí na:neutrony – nemají náboj, počet vyjadřuje N – neutronové číslo, klidové hmotnost neutronu je asi 1,675.10^-27 kg – hmotnosti protonu a neutronu jsou řádově srovnatelné, hmotnost elektronu je mnohonásobně menší
• protony – kladně nabité, počet vyjadřuje Z – protonové číslo, v elektroneutrálním atomu je počet protonu v jádře roven počtu elektronů v obalu, klidová hmotnost protonu – 1,673.10^-27 kg
• jádro má tedy kladný náboj, obal má záporný

Jaderné síly

• silné jaderné interakce, které drží jádro pohromadě
• přitažlivé bez ohledu na náboj, velice silné s malým dosahem(působí proti elektrickým silám)
• působí pouze na malý počet okolních nukleonů = nasycení

Zápis jádra, prvek

• prvek je látka složená s atomu o stejném protonové čísle

Zápis částic

• proton, neutron, elektron, pozitron, foton, neutrino a antineutrino

Izotop

• látka složená s částic o stejném protonovém čísle a jiném nukleonovém čísle(složen z více nuklidů)

Nuklid

• látka složená s částic o stejném protonovém i nukleonovém čísle(např. vodík – deuterium)

Vazebná energie jádra

• práce, kterou je třeba vykonat při rozložení jádra na jednotlivé nukleony
• – hmotnostní úbytek – rozdíl vypočítané teoretické hmotnosti jádra(součet hmotnosti všech nukleonů) a klidové hmotnosti jádra(reálná naměřená hmotnost daného jádra)

Vazebná energie na 1 nukleon

• označuje se také jako separační energie
• energii získáme vyrobením jádra o vyšší – nejvyšší má Fe – nejstabilnější
• z grafu závislosti vazebné energie na 1 nukleon plyne, že existují 2 způsoby vzniku nových jader:jaderné štěpení – reakce, při které se jedno těžké jádro(jádro s vyšším Z než Fe) rozštěpí na dva lehčí o vyšší vazebné energii za uvolnění přebytečné energie
• jaderní fúze(syntéza,slučování) – reakce, při které z dvou lehkých jader(jádra s nižším protonovým číslem než Fe) získáme jedno těžší jádro a energii

Jaderné přeměny

1.   Radioaktivita

• samovolná přeměna jádra, při které jádro vysílá záření

1. přirozená – radioaktivní prvky běžně se vyskytující v přírodě
2. umělá – radioaktivní prvky umělé vyrobeny jadernými reakcemi

2.   Jaderné reakce

• přeměna jádra vyvolaná srážkou 2 jader nebo srážkou jádra s částicemi

1. štěpení(řetězová reakce) – těžké jádro se rozpadá na 2 lehčí jádra a energii
2. syntéza(fúze,slučování) – 2 lehké jádra se přemění na 1 těžší za uvolnění energie

Zákony zachování při jaderných přeměnách

• při jaderných přeměnách musí být splněny zákony zachování:
• energie, hybnosti, hmotnosti, el. náboje a počtu nukleonů(výsledné nukleonové číslo reakce se nemění)
• někdy se také spojuje zákon zachování energie a hmotnosti(hybnosti) do zákona zachování relativistické energie:
• – energie se může měnit na hmotu a naopak

Radioaktivita

Přirozená

• objevil ji 1895 Henri Becquerel

1.   Záření alfa

• tok héliových jader,
• př.:
• pohlcováno kůži, papírem, ve vzduchu se pohltí asi po 40 cm, nebezpečné pokud by se dostalo dovnitř organismu
• alfa částice jsou nabité(důkaz – vychylují se v magnetickém poli)

2.   Záření beta

• pohlcováno tenkým hliníkovým plechem, asi 2,5 m širokou vrstvou vzduchu

• β^–

 

• tvořeno elektrony, které vznikají rozpadem neutronu
• př.:

• β⁺

 

• tvořeno pozitrony(antičástice k elektronu), které vznikají rozpadem protonu
• př.:
• mění se vzájemný počet protonů a neutronů v jádře při zachování počtu nukleonů – platí zákon zachování hmotnosti

3.   Záření gama

• tok fotonů, které se uvolňují při přechodu excitovaného jádra na nižší energetickou hladinu– elektromagnetické vlnění a velice malé vlnové délce, často doprovázeno zářením alfa a beta
• nejškodlivější – způsobuje nemoc z ozáření, karcinogenní, mutagenní, ničí mikroorganismy
• nepronikavější – oslabí(nepohltí zcela) ho pouze silná vrstva betonu nebo materiál z jádra těžkých prvků(Pb)
• má silné ionizační účinky(způsobuje fotoelektrický jev)

Umělá

• objevili manželé Jaliot – Curie v roce 1934
• – P má poločas přeměny 130 s, dochází k

Aktivita zářiče

• počet přeměn za 1 s
• A = [Bq](Becquerel)(v SI – Bq = Hz= s^-1)

Zákon radioaktivní přeměny

• vyjadřuje závislost aktivity zářiče a množství jader na čase
• – přeměnová(rozpadová) konstanta – udává míru rychlosti rozpad

Poločas přeměny(rozpadu)

• doba, za kterou se rozpadne polovina jader vzorku
• [T] = s

Přeměnové řady

• popisují postupnou přeměnu radioaktivních nuklidů, protože ne vždy se nuklid rozpadá přímo na stabilní nuklid
• celkem 4(v přírodě 3)neptuniová –aktiniová –
• uranová –
• thoriová –
• izotopy na koncích řád jsou stabilní a dále už se nerozpadají

Jaderné reakce

• první umělou jadernou reakci provedl E. Rutherford roku 1919
• 1932 J. Chadwick objevil neutron

Jaderná syntéza

• z dvou jader lehčích vzniká jádro těžší za uvolnění energie
• využívá se izotopů vodíku – – hydrogenia, deuteria a tritia
• zatím pouze výzkum, praktické využití ještě neexistuje
• při jaderné syntéze se musí přiblížit 2 jádra na velmi malé vzdálenost, je třeba překonat odpudivé síly mezi jádry, toho se dosahuje:
• zahřání jader na velmi vysokou teplotu -> z jaderného paliva se musí stát plazma -> plazma musí mít velkou hustotu -> plazma se v takovém stavu musí udržet co nejdelší dobu
• problém : chceme-li dosáhnout praktického využití, musí být energie získaná reakci vyšší, než energie potřebná k reakci – to se zatím nedaří, dále neexistují materiály, které by byly schopny uchovávat plazmu za tak vysokého tlaku a teploty
• výhody : vodík jako palivo je prakticky nevyčerpatelný zdroj, energie získaná reakcí je vysoká
• tokamak – zařízení, kde se uchovává plazmat pomocí magnetického pole(aby se nedotýkal stěny nádoby), funguje podobně jako transformátor -> na obvodu jsou cívky, kterými prochází střídavý proud -> na cívce uprostřed se indukuje proud -> silné elektrické pole z plynu vytvoří plazmat a silné magnetické pole plazmat pak uchovává
• příklady :
• probíhá na slunci(první reakce při cyklu, kdy vzniká helium a sluneční záření)
• problém : pomalá a neochotná reakce
• prakticky výhodnější
• problém : tritium je silně radioaktivní a toxické
• energeticky nejvýhodnější, asi 4x až 5x větší množství uvolněné energie, probíhá nejsnadněji
• problém: opět tritium je silně radioaktivní a toxické, navíc je ho na zemi velmi málo

Jaderné štěpení

• rozpad těžkého jádra za vzniku dvou lehčích a uvolnění energie
• pomalý neutron naráží do jádra uranu, ten jej příjme a vzniká nestabilní neklid , který se rozpadá na dvě lehčí jádra(štěpné trosky), za uvolnění energie a 3 rychlých neutronů
• pokud se část vzniklých neutronů absorbuje a část cíleně zpomalí, aby mohli štěpit jádra mluvíme o řetězové reakci, ta probíhá v jaderných reaktorech
• k absorbaci neutronů se používá kadmium(absorbátor), ke zpomalení(moderaci) se používá grafit(moderátor)
• aby mohla nastat řetězová reakce, potřebujeme dostatečné množství paliva – kritické množství – množství paliva, ve kterém je počet neutronů vzniklých ve 2 po sobě jdoucích reakcích stejný
• poměr neutronů při jaderné reakci nám vyjadřuje koeficient řetězové reakce– probíhá řízená jaderná reakce(jaderné elektrárny)- počet neutronů každou reakcí stoupá, reakce má charakter exploze, intenzita reakce se zvyšuje, uvolňuje se stále vyšší energie(nadkritické množství)
• – počet neutronů každou reakcí klesá a jaderná reakce vyhasíná(podkritické množství)
• – počet neutronů po štěpení / počet neutronů před štěpením

Štěpné materiály

• jádra schopné řetězové reakce, pouze 4
• přírodní je pouze první nuklid uranu, ostatní jsou syntetické

Jaderný reaktor/elektrárna

• jako palivo se využívá uran, obohacený o nuklid (obohacování uranu), jako moderátor grafit, jako absorbátor kadmium(regulační tyče)
• reakce se reguluje vysunováním a zasunováním regulačních tyčí, energie(teplo) vzniklá reakci se odvádí vodou,těžkou vodou(D2O,místo H je ve vodě deuterium – méně reaktivní) nebo heliem, které předávají teplot sekundárnímu okruhu
• reaktory, kde se jako chladivo využívá voda se dělí na varné(voda při chlazení vaří) a tlakovodní(tlak v reaktoru je pozměněn, aby nedocházelo k varu) -> kombinace těchto dvou je PWR reaktor, nejrozšířenější na světě, voda se zde využívá jako chladič i moderátor(na obrázku)
• ohřátá voda proudí primárním okruhem do parogenerátoru(výměníku tepla), kde předává teplo sekundárnímu okruhu, ve kterém se ohřátá voda mění na páru, která roztáčí parní turbínu a poté se kondenzuje vodou, která se průběžně chladí v chladící věži, pára ochlazená zpátky na vodu opět putuje do parogenerátoru
• voda, která odvádí teplo přímo z reaktoru je radioaktivní, proto se musí předávat teplo vodě v sekundárním reaktoru

Využití radionuklidu v praxi

• měřením intenzity gama nebo beta záření lze určit tloušťku tělesa(podle toho jak se záření oslabí či zesílí), toho lze využít při odhalování skrytých vad(defektoskopie), určování opotřebení, míry koroze, měření výšky hladin v uzavřených nádobách s nebezpečnými kapalinami(nemůžeme je otevřít)
• uhlíková metoda určování staří organický materiálu – v organických materiálech probíhá přeměna uhlíku na dusík, zjištěním množství tohoto uhlíku při znalosti jeho poločasu rozpadu můžeme určit stáří látky
• radioaktivním zářením se dají měnit vlastnosti materiálu(barva křehkost), záření ovlivňuje polymerizaci, vulkanizaci
• medicínské využití – diagnostika – zjišťování funkce štítné žlázy, sledování průtoku krve(kontrastní látka), terapie – léčený zhoubných nádorů(ozařování), sterilizace lékařských nástrojů
• jaderné baterie – slouží k napájení přístrojů na nepřístupných místech(dlouho vydrží)
• ochrana ŽP – sledování koloběhu látek pomocí značených atomů s velkým poločasem rozpadu
• ! radioaktivní záření má silné negativní účinky! – poškozuje kostní dřeň, ničí tkáň