ELEMENTY   FIZYKI   JĄDROWEJ

     Promieniotwórczość jest wywołana zmianami w jądrze atomowym.

UKŁAD  PROTONÓW  I  NEUTRONÓW

     Jądro atomowe jest układem protonów i neutronów. Termin nukleon obejmuje zarówno proton jak i neutron. Gdy chcemy wskazać konkretne jądro atomowe, używamy słowa nuklid. Należy też stosować następujące oznaczenia  i nazwy:

·        Z – liczba porządkowa jądra (równa liczbie atomowej pierwiastka w układzie okresowym), określająca ile jest protonów w jądrze;

·        N – liczba określająca ile jest neutronów w jądrze;

·        A – liczba masowa jądra, określająca ile jest nukleonów w jądrze           (A = Z+N).

     Jądra atomowe o jednakowych wartościach Z, ale różniące się liczbą neutronów N, nazywa się izotopami danego pierwiastka. Z kolei jądra atomowe o różnych Z i N, ale o jednakowych A, nazywa się izobarami lub jądrami izobarycznymi.

SIŁY JĄDROWE

     Trudne było dla fizyków objaśnienie stabilności układu protonów i neutronów. Znane dotychczas oddziaływania – grawitacyjne i elektrostatyczne – nie objaśniały powstawania stabilnych jąder atomowych. Należało zatem wziąć pod uwagę istnienie nowego rodzaju oddziaływania. Tak odkryto oddziaływanie jądrowe. A oto jego cechy:

·        jest ono „krótkozasięgowe”;

·        podlegają mu protony, neutrony i ich układy – jądra atomowe; elektrony i całe atomy nie podlegają temu oddziaływaniu;

·        jest ono przyciągające, jednak przy próbie wciśnięcia jednego nukleonu w drugi ma to oddziaływanie charakter odpychający;

·        siły jądrowe są porównywalne lub większe niż siły elektrostatycznego odpychania między protonami.

POZIOMY ENERGETYCZNE I PROMIENIOWANIE  g

     Nukleony mogą zajmować tylko określone stany energetyczne, nie krążą jednak wokół żadnego centralnego obiektu. Mogą one też przechodzić w stan wzbudzony – przeskakują wtedy na wyższy poziom energetyczny. Ich powrót na niższy poziom powoduje emisję fotonu z wnętrza jądra atomowego. Na początku był on nazywany „cząstką g” , a sam przeskok nazwano przemianą g W sytuacji, gdy fotony są emitowane przez układ jąder g-promieniotwórczych, mówimy o rozchodzeniu się promieniowania g. Emitowane fotony g mają energię znacznie większą od fotonów z zakresu promieniowania widzialnego.

PRZEMIANA  a  JĄDER CIĘŻKICH

     Właściwości sił jądrowych pozwalają przewidzieć, że zbyt rozległe układy nukleonów będą dość słabo związane. Powodem jest to, iż protony znajdujące się na brzegu jądra odczuwają odpychanie elektryczne od wszystkich pozostałych protonów. Dopóki średnica jądra nie przekracza 10-14 m, czyli granicy zasięgu sił jądrowych, to jądrowe przyciąganie nukleonów równoważy elektrostatyczne odpychanie między protonem a resztą jądra; jądro pozostaje więc stabilne.

     Inaczej to wygląda z jądrami atomowymi ciężkich pierwiastków. Oddziaływanie jądrowe nie jest w stanie związać wszystkich nukleonów w jądrze. Zdarza się więc, że grupa czterech nukleonów, dwa protony i dwa neutrony, zostaje wyemitowana poza macierzyste jądro atomowe. Taki proces, zachodzący bez żadnej ingerencji z zewnątrz, nazywa się przemianą a jądra atomowego.  Wyemitowana grupa nukleonów to cząstka a. Jądro atomowe zdolne do emisji cząstek a nazywa się a-promieniotwórczym. Wiązka cząstek a, emitowanych z próbki zawierającej jądra promieniotwórcze określana jest jako promieniowanie a. W wyniku tej przemiany  powstaje więc nowy pierwiastek o mniejszej liczbie masowej A i atomowej Z.

ODDZIAŁYWANIE  SŁABE

     W latach 30. XX wieku fizycy doszli do wniosku, że za niektóre zjawiska, zachodzące wewnątrz jądra atomowego, nie może być odpowiedzialne wyłącznie oddziaływanie jądrowe. W 1935 roku Fermi opracował teorię przemiany b; była ona pierwszym opisem procesu „słabego” . Podstawowe cechy oddziaływania słabego:

·        jest ono „krócej zasięgowe” niż oddziaływanie jądrowe;

·        podlegają mu pojedyncze protony i neutrony oraz elektrony i neutrina;

·        nie ma ono charakteru przyciągającego; powoduje uwalnianie składników układu;

·        wartości sił związanych z oddziaływaniem słabym są mniejsze niż wartości sił elektrostatycznych i jądrowych, działających między nukleonami.

PRZEMIANY   b-  i   b+

     W wyniku oddziaływań słabych jądra o nadmiarze neutronów podlegają spontanicznej przemianie b-. Podobnie jądra o nadmiarze protonów podlegają spontanicznej przemianie b+.

     W początkach badań nad promieniotwórczością mianem cząstki b określano elektron emitowany przez jądro b-promieniotwórcze. Wiązka elektronów emitowanych przez całą próbkę takich jąder nazywana była      promieniowaniem b. Dopiero po wielu latach badań utożsamiono cząstki b- z elektronami a cząstki b+ z pozytonami.

PRAWO ZANIKU PROMIENIOTWÓRCZEGO

     Przyjmuje się, że procesy przemian mają charakter czysto losowy. Nie potrafi się przewidzieć zachowania się pojedynczego jądra promieniotwórczego i zdecydować, czy ulegnie ono przemianie. Można jednak, badając układ wielu jednakowych jąder promieniotwórczych, podać prawdopodobieństwo zajścia określonej przemiany w jednostce czasu.

     Najważniejsze pojęcia dotyczące prawa zaniku promieniotwórczego to:

·        czas połowicznego zaniku – czas, po upływie którego z próbki promieniotwórczej zawierającej N nietrwałych jąder atomowych pozostaje połowa (czyli N/2) jąder atomowych;

·        datowanie izotopem promieniotwórczym – określanie wieku substancji na podstawie zawartości pierwiastków promieniotwórczych;

·        mol – ilość substancji zawierająca 6,02´1023 (liczba Avogadra) drobin;

·        zależność (funkcja) wykładnicza – zależność f(x) o takiej właściwości, że dla każdego Dx iloraz  f(x+Dx) / f(x) jest stały i nie zależny od x.

REAKCJE   JĄDROWE

     Sztuczne przemiany jądrowe są realizowane na drodze reakcji jądrowych. Ogólny schemat typowej reakcji jest następujący:

X + x  daje  Y + y     ;

gdzie  X, Y oznaczają odpowiednio początkowe i końcowe jądra, a  x, y – cząstki biorące udział w reakcji.

ZASADY  ZACHOWANIA

     Nie każda dowolnie zapisana reakcja jądrowa jest możliwa do zrealizowania. Niezbędnym warunkiem jej zajścia jest spełnienie zasad zachowania, między innymi:

·        zasady zachowania ładunku elektrycznego;

·        zasady zachowania liczby nukleonów;

·        zasady zachowania energii.

Ta ostatnia zasada pozwala na obliczenie energii „wydzielonej” w reakcji w postaci całkowitej energii kinetycznej produktów. Oprócz mas nuklidów i cząstek biorących udział w reakcji należy wtedy znać energię kinetyczną substratów reakcji.

REAKCJA  ROZSZCZEPIENIA

     Jest ona ważnym rodzajem reakcji jądrowej. Niekontrolowana, lawinowo zachodząca reakcja rozszczepienia ma miejsce w tzw. bombie atomowej, kontrolowana – w reaktorze jądrowym.

     Jądro  235U  uderzone przez neutron absorbuje go na moment, po czym rozpada się na dwa jądra „pośrednie” o zbliżonych masach. W procesie tym zostają wyrzucone dodatkowo dwa lub trzy neutrony. Ponieważ każda reakcja rozszczepienia dostarcza 2 lub 3 neutrony, to mogą one spowodować następne reakcje, stąd mówi się o reakcji łańcuchowej. Gdy liczba reakcji narasta lawinowo, prowadzi to do wykładniczego wzrostu wydzielanej energii. Tak jest podczas wybuchu bomby jądrowej.

REAKCJE  SYNTEZY  JĄDROWEJ

     Drugim rodzajem reakcji egzoenergetycznych są reakcje syntezy. Wydają się one bardziej interesujące od reakcji rozszczepienia, głównie z następujących powodów:

·        w odróżnieniu od niezbyt zasobnych i trudno dostępnych złóż uranu, substraty reakcji syntezy występują na Ziemi praktycznie w nieograniczonej ilości (niezbędny izotop wodoru obecny jest w wodzie oceanicznej);

·        produktami reakcji syntezy na ogół nie są nuklidy promieniotwórcze.

     Ważniejsze pojęcia to:

·        akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek naładowanych elektrycznie;

·        cykl węglowo-azotowy – wielostopniowa reakcja jądrowa prowadząca do powstania jądra helu z czterech protonów, w cyklu tym uczestniczą jądra węgla, tlenu i azotu jako „katalizatory” reakcji;

·        Deuter, D – izotop wodoru, ma jądro składające się z neutronu i protonu;

·        Plazma – mieszanina zjonizowanych atomów i elektronów;

·        Reakcja rozszczepienia – reakcja jądrowa, polegająca na fragmentacji ciężkiego jądra na dwa lżejsze, każde o masie około połowy masy jądra rozszczepianego;

·        Reakcja syntezy – reakcja jądrowa, polegająca na łączeniu się dwóch lub większej liczby jąder lżejszych w jedno jądro cięższe;

·        Tryt, T – izotop wodoru, ma jądro składające się z dwóch neutronów i jednego protonu.

Do opracowania:

·        metoda pomiaru czasu zwana metodą datowania węglem 14C.

Podręcznik:

·        strona 183 – 194;

Praca z komputerem:

·        program 29 – prawo rozpadu promieniotwórczego;