Fizyka jądrowa

Fizyka jądrowa
Struktura jądra (stan podstawowy)
Oznaczenia, terminologia
Promienie jądrowe i kształt jąder
Jądra stabilne; warunki stabilności; energia wiązania
Jądrowe momenty magnetyczne
Modele struktury jądra
Procesy rozpadu promieniotwórczego; prawo rozpadu i datowanie
Biologiczne skutki promieniowania
Rozszczepienie jądra, reakcje łańcuchowe, reaktory jądrowe i bomby
atomowe
Synteza termojądrowa
1
Podstawowe własności jąder atomowych
Nuklid
Z – liczba atomowa (liczba protonów)
N – liczba neutronów
A = Z + N – liczba masowa (liczba nukleonów)
Oznaczenie nuklidu:
lub
Masa nuklidu:
Izotopy: identyczne Z, różne N. Np. 35Cl (76%), 37Cl (24%)
Mechanizm przyciągania pomiędzy nukleonami:
Oddziaływania silne pomiędzy kwarkami
2
Promień jądra
Rozpraszanie Rutherforda
Eisberg, Porter,
Rev. Mod. Phys. 33, 190 (1961)
grafika: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/rutsca3.html
3
Promień jądra
Rozpraszanie
wysokoenergetycznych elektronów
Hofstadter, Annu. Rev. Nucl. Sci. 7, 231-316 (1957)
4
Promień jądra
Rozpraszanie
wysokoenergetycznych
elektronów
– rozkład gęstości ładunku
Hofstadter, Annu. Rev. Nucl. Sci. 7, 231-316 (1957)
5
Stabilność jąder
Diagram Segré'go – mapa stabilności nuklidów:
Z
Nie ma stabilnych jąder
dla A > 209 lub Z > 83
– duże jądra są niestabilne
N
Dla lekkich jąder N = Z
Dla cięższych jąder Z < N
(redukcja energii kulombowskiej)
6
Stabilność jąder
Zakaz Pauliego → preferowane N ~ Z
Odpychanie kulombowskie → N > Z dla ciężkich jąder
Siły jądrowe (oddziaływania silne):
Krótkozasięgowe
Silne
Preferuje pary z przeciwnym spinem
Wiąże pary (2n, 2p)
p,n
EE
OO
EO
OE
Total
Stable
148
5
53
48
254
Long-lived
22
4
4
5
35
All primordial
170
9
57
53
289
7
Energia wiązania jądra
EB/A [MeV]
– defekt masy
A
8
Spin jądra i NMR
Spin protonu i neutronu:
Całkowity moment pędu:
Spinowy moment magnetyczny:
proton:
neutron:
– magneton jądrowy
Proton i neutron są cząstkami złożonymi
Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)
Widmo NMR etanolu
9
Obrazowanie rezonansu magnetycznego
Obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI):
Medyczne zastosowanie NMR
Obraz struktury ciała żyjącego człowieka
Metoda mało inwazyjna, nie występuje ekspozycja
na promieniowanie jonizujące
Funkcjonalne obrazowanie NMR (fMRI):
Obrazowanie aktywności neuronalnej
kory mózgowej i rdzenia kręgowego
10
Modele struktury jądra
Model kroplowy (Gamow 1935):
Nieściśliwa ciecz nukleonów utrzymywanych
przez krótkozasięgowe oddziaływania
i napięcie powierzchniowe
Siły
jądrowe
Energia
powierzchniowa
Energia
kulombowska
Równowaga
neutron-proton
Energia
„parowania”:
'+' jeśli Z i N parzyste,
'-' jeśli Z i N nieparzyste,
0 poza tym
– półempiryczna formuła masowowa
11
Modele struktury jądra
Model powłokowy:
Nukleony w efektywnym potencjale
Powłoki protonowe i neutronowe
Najstabilniejsze jądra: całkowicie zapełnione powłoki
 magiczne liczby protonów lub neutronów
2, 10, 20, 28, 50, 82, (126)
U [MeV]
R
20
0
r
- 20
- 40
12
Radioaktywność
(1896)
Szereg promieniotwórczy uranowy
Henri Becquerel
13
Rozpad promieniotwórczy α
np. 238U → 234Th + 4He
cząstka a
228U
238U
Cząstka a tuneluje przez barierę potencjału
Czas rozpadu zależy od energii reakcji
14
Rozpad promieniotwórczy β
węgiel 14
Rozpad
azot 14
antyneutrino
β-
elektron
węgiel
14
n → p + b- + –ne
6 protonów
8 neutronów
węgiel 10
Rozpad
7 protonów
7 neutronów
bor 10
neutrino
węgiel 14
β+
pozyton
węgiel 14
p → n + b+ + ne
6 protonów
4 neutronów
5 protonów
5 neutronów
węgiel 11
Wychwyt elektronu
p + b- → n + ne
bor 11
elektron
węgiel 14
6 protonów
5 neutronów
węgiel
neutrino14
5 protonów
6 neutronów
15
Rozpad promieniotwórczy γ
stabilny
Cząstka gamma
– wysokoenergetyczny foton
Przejście pomiędzy stanami jądra bez zmiany liczb Z, N
16
Rozpad promieniotwórczy i datowanie
– aktywność próbki (szybkość rozpadu)
1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad na sekundę;
1 kiur = 1 Ci = 3,7·1010 Bq
– stała rozpadu
– prawo rozpadu promieniotwórczego
Średni czas życia
Czas połowicznego zaniku
Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego
14C
→ 14N, T1/2 = 5730 lat  wiek organizmów i materiałów organicznych
(historia, archeologia, biologia)
40K
→ 40Ar, T1/2 = 1,25·109 lat  wiek skał
(geologia, paleontologia)
17
Biologiczne skutki promieniowania
Dawka pochłonięta: energia na jednostkę masy tkanki
1 grej (Gy) = 1 J/kg
1 rad = 0,01 J/kg = 0,01 Gy
Względna skuteczność biologiczna (WSB, ang. RBE)
Promieniowanie X i γ
Elektrony (γ)
Wolne neutrony
Protony
Cząstki γ
Ciężkie jony
1
1.0 – 1.5
3–5
10
20
20
Równoważnik dawki pochłoniętej: WSB × dawka pochłonięta
1 siwert (Sv) = WSB × 1 Gy
1 rem = WSB × 1 rad
18
Dawki promieniowania
– normy i przykłady
Dopuszczalna dawka w związku z działalnością zawodową dla ogółu ludności: 1 mSv/rok
Dopuszczalna dawka dla pracowników:
20 mSv/rok
(rozp. RM z 18.01.2005)
RTG klatki piersiowej:
0,2 ÷ 0,4 mSv
Tło naturalne:
2 ÷ 3 mSv/rok
(radon, opad promieniotwórczy, promieniowanie kosmiczne)
Dawka śmiertelna (w krótkim okresie czasu): 5 Sv
19
Reakcje jądrowe
EB/A [MeV]
Rutherford (1919):
Zasady zachowania:
ładunek
energia
pęd
moment pędu
liczba nukleonów
A
Energia reakcji A + B → C + D
20
Rozszczepienie jądrowe
(Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann, lata 30. XX w.)
trwały
trwały
21
Rozszczepienie jądrowe – model kroplowy
Rozszczepialność wybranych nuklidów przy użyciu neutronów termicznych
Nuklid tarczy
Nuklid rozszczepiany
En [MeV]
Eb [MeV]
rozszczepienie przez n. termiczne?
tak
nie
tak
nie
22
Reakcja łańcuchowa
Współczynnik rozmnożenia neutronów:
Masa krytyczna:
– samopodtrzymująca się, stabilna reakcja łańcuchowa
23
Reaktor jądrowy
Reaktor wodny ciśnieniowy
(PWR, WWER)
24
Bomba atomowa
Ładunek
konwencjonalny
Podkrytyczne bryły
uranu 235
Metoda wstrzeliwania
Ładunki
konwencjonalne
Rdzeń
plutonowy
Metoda implozyjna
25
Synteza termojądrowa
Warunki syntezy termojądrowej
Wysoka temperatura
Duża gęstość przez dostatecznie długi czas
– kryterium Lawsona:
Metody utrzymywania plazmy:
Magnetyczna – tokamak
Inercyjna – kapsułki D-T ogrzewane laserowo
26