Transcript Produkti radioaktivnog raspada Nuklearne reakcije Vještačka

Produkti radioaktivnog raspada
Nuklearne reakcije
Vještačka radioaktivnost
Radioaktivnost
• 1896 Henri Becquerel je
slučajno otkrio radioaktivnost u
spojevima koji sadrže uran.
Nakon niza eksperimenata
zaključio je da se to zračenje
spontano emitije, da je
prodorno, da zacrnjuje
fotografsku emulziju i da
jonizuje gasove. Takva
spontana emisija zračenja
nazvana je radioaktivnost.
Radioaktivnost
• Marie i Pierre Curie su
sistematično izučavali
radioaktivnosti, te otkrili dva
do tada nepoznata elementa,
oba radioaktivna, nazvana
polonij i radij.
• Sistematična
eksperimentalna istraživanja
radioaktivnosti zajedno s
Rutherfordovim raspršenjem
alfa čestica ukazala su da je
radioaktivnost rezultat
raspada nestabilne jezgre.
Produkti radioaktivnog raspada
• Utvrđeno je da postoje tri tipa
radioaktivnosti:
– alfa raspad – jezgra spontano
emitira jezgru helija
– beta raspad –jezgra spontano
emitira elektron
ili pozitron (antielektron)
– gama raspad – jezgra
spontano emitira gama zraku
– foton visoke energije
– Zahvat elektrona (p+e->n)
Produkti radioaktivnosti
• Alfa raspad
263
Sg259Rf 4He
• Beta raspadi
14
C 14N  e  
18
F 18O  e  
• Gama raspad
152
Dy152Dy  
a-raspad
Emisija a-čestice ili 4He jezgra (2 neutrona, 2 protona)

# prot ons
a-decay
238
92
Roditelj jezgro smanjuje maseni
broj za 4, atomski broj za 2.
Primjer: 238U -> 234Th + 4He
Relacije masa-energija:
U
91
234
Th
23
90
6
23
5
23
4
#
7
23
e
cl
u
n
8
23
144 145 146
# neutrons
s
on
238U
238.0508 amu
234Th
–234.0436
4He
–4.00260
Defekt mase 0.0046 amu
= 6.86x10-13 J/raspadu
= 1.74x1012 J/kg 238U
Na ovaj način se raspadaju jezgra teža od 209Bi
sa proton/neutron odnosom duž regiona stabilnosti.
Neki alfa emiteri i
vremena poluraspada (poluživota)
a raspad
241
95
- Uključuje
a
4
Am 
 237
Np

93
2 He
jake i kulonovske interakcije
- alfa-čestica i jezgro koje nastaje (kći) imaju jednake a
suprotne impulse, tj. kći biva odbačena na suprotnu stranu
Kraj
Alfa raspad
 raspad - tri tipa
3
1
1) - raspad

H 
 23He  e  e
- neutron
se pretvara u proton i elektron
- A se ne mijenja, ali nastaje novi element
- Oslobađa se antineutrino (nema ni naboj ni
masu)
2) + raspad

C  115 B  e  e
11
6
- Proton se pretvara u neutron i pozitron
- A se ne mijenja, ali nastaje novi element
- Oslobađa se neutrino
3) Zahvat elektrona
7
4
EC
Be  e 
 37 B  e
-jezgro zahvati jedan elektron iz omotača i
pretvori jedan svoj proton u neutron.Tako
nastaje novi element uz emisiju jednog
neutrina
Beta raspadi
•
Jezgre čiji Z nije stabilan za dati A mogu promijeniti Z i dostići
stabilnost preko tri beta procesa:
• : (Z,N)->(Z+1,N-1)+e+*,
n->p+ )+e+*
• +: (Z,N)->(Z+1,N-1)+e++
p->n+e++
• Zahvat elektrona (EC; Electron Capture):
p+e->n+
- raspad
Emisija elektrona (i antineutrina) tokom konverzije
neutrona u proton
# prot ons

-decay
38
37
87
Maseni broj se ne mijenja, atomski
broj poraste za 1.
Sr
87
Rb
8
8
8
49 50
# neutrons
s
7
on
e
l
uc
86
#
n
primjer: 87Rb -> 87Sr + e– + 
Relacija masa - energija:
87Rb
86.909186 amu
87Sr
–86.908882
Defekt mase 0.0003 amu
= 4.5x10-14 J/decay
= 3.0x1011 J/kg 87Rb
Ovako se raspadaju jezgra sa viškom neutrona
u odnosu na dolinu stabilnosti
 raspad i zahvat elektrona
Emisija pozitrona (i neutrina) ili zahvat jednog elektrona iz unutrašnje ljuske
tokom konverzije protona u neutron
# prot ons
Electron Capture
19
18
40
Maseni broj se ne mijenja, atomski
broj se smanjuje za 1.
K
40
Ar
4
1
4
21 22
# neutrons
0
o
le
c
u
39
#
n
ns
primjeri:
-> 40Ar + e+ + 
50V+ e– -> 50Ti +  + 
40K
U pozitronskoj emisiji većina energije se
emituje kroz materija-antimaterija
anihilaciju. U zahvatu elektrona gama-zrak
odnosi višak energije.
Ovi raspadi se najčešće događaju kod nukleusa koji imaju više
protona u odnosu na dolinu stabilnosti.
Primjeri beta raspada
• Slobdni neutron prelazi s vremenom poluživota od 13 minuta u
proton pri čemu se emitira elektron i antineutrino: n->p+e- +
Radioactive Decay Processes
Jednostavni
Branched Decay:
raspad:
represents
radioaktivni
a
izotop
decayse
process
pretvara
where
u atom
the kčeri.
14C) će
Na
radioactive
primjer, radiocarbon
isotope can (decay
to
uvijek
more da
than
seone
transformira
radiogenicu daughter
azot
14N). For example 40K can decay
(atom.
to either 40Ca (88.2% of the time) or
40Ar (11.8% of the time).
Primjer beta raspada
A
Z
X
218
Po
84
A
Y +
Z+1
0

-1
218
At
85

-1
0
Beta raspad i neutrino
•
Za razliku od alfa-raspada kod kojeg jezgra emitira alfa
česticu tačno određene energije, kod beta-raspada
emitiraju se elektroni s kontinuiranom raspodjelom
energije od 0 do Emax?
•
Jedan od osnovnih zakona očuvanja kod nuklearnih
reakcija je zakon očuvanja energije. Kad se on primjenio
na beta-raspad, izgledalo je da on ne vrijedi kod beta
raspada.
•
Pauli 1931 postulira da se u beta raspadu emitira još
jedna čestica koja je neutralna i tako slabo međudjeluje s
materijom da je ne opažamo ali zato odnesi upravo toliko
energije koliko se čini da je izgubljeno pri beta raspadu.
Fermi je tu česticu nazvao neutrino (neutrončić).
Pauli: neutrino
ima spin ½,
nema naboja ni
mase
Svojstva slabe sile
• Beta raspadom upravlja slaba sila
• Slaba sila je najmanje “uočljiva” od 4 sile koje upravljaju svim
procesima u svemiru (gravitaciona, elektromagnetna, jaka i
slaba sila).
• proizlazi da je slaba sila oko 10-14 puta manja od jake sile.
• Domet slabe sile je malo manji od dimenzija jezgre. Interakcija
neutrina s materijom je jako mala. Neutrini mogu proći kroz
olovo debljine 100 svjetlosnih godina
U238 Transmutacije
• Ovo je najduži
radioaktivni niz u
prirodi: ima 8 alfa
transmutacija i 6 beta
transmutacija
U238 Radioaktivni niz -Transmutacije
Th232 Transmutacije (Niz)
U235 Transmutacije (Niz)
Np237 Transmutacije (Niz)
Gama raspad
• Elektromagnetsko zračenje (fotoni) koje emitiraju atomske jezgre
• Fotoni vrlo visoke energije – MeV
A
Z
X  X 

A
Z
 raspad
3
2

He* 
 23He  
- Pretvaranje jake u kulonovsku E
- Ne mijenja se ni A ni Z (ne mijenja se element)
- Oslobađa se foton
-Obično se dešava kao posljedica nekog drugog
raspada
Spontana fisija
256
100
sf
112
Fm 
 140
Xe

54
46 Pd  4n
-Teški nuklidi se cijepaju u dva lakša plus
neutroni
Fission tracks from 238U fission in old zircon
Nuklearne reakcije
• Nuklearna reakcija je proces interakcije između jezgre i neke
elementarne čestice ili druge jezgre u kojem se jezgra transformira,
mijenja joj se struktura.
• Jezgra meta X se bombarduje projektilom a i rezultat reakcije je nova
jezgra Y i izlazna čestica (ili jezgra) b
X(a,b)Y,
npr.:
n
14
14
7N 6 C 
p
• Q-vrijednost reakcije, energija koja se oslobodi ili apsorbuje u reakciji je:
Q = (Ma + MX – MY – Mb)c2
– Q > 0 egzoergična reakcija, oslobađa se energija.
– Q< 0 endoergična reakcija, da bi nastala reakcija projektil mora imati
određeni minimalni iznos energije – energija praga reakcije.
Vještačke transmutacije (reakcije)
• Nuklearna reakcija može da se definira i kao promjena karakteristika
ili identiteta nukleusa kada se ovaj bombarduje energetskim
česticama.
• Prvu vještačku nuklearnu reakciju (transmutaciju) eksperimentalno
napravio je Rutherford 1919. godine bombardujući azot alfačesticama (energije 7,68 MeV koje je dobio iz Po214:
•
4He
+ 14N -> 17O + 1H
N(α,p)O
• Na ovaj način mogu se vještački proizvesti izotopi raznih elemenata:
• Al27+ n1 -> Mg27 + 1H
• Ovaj Mg je radioaktivan sa periodom poluraspada od 9,5 minuta i
ima značajnu upotrebi u medicini.
Zakoni očuvanja u nuklearnim reakcijama
• Pri nuklearnim reakcijama očuvane su slijedeće veličine :
– Energija
– Impils (količina kretanja)
– Moment impulsa (moment količine kratanja)
– Naboj
– Parnost (djeluje jaka nuklearna sila ili Columbova sila koje obje
ne narušavaju parnost).
– Broj nukleona
Primjeri nuklearnih reakcija
• Bombardovanjem nekim projektilom-česticom moguće je na više
raznih načina proizvesti nuklearnu reakciju. Na primjer:
• Ako projektil deutron energije 6 MeV bombarduje metu 19K39 mogu
nastati slijedeće reakcije:
– K39(d,d)K39 – elastično ili nelastično rasijanje deuterona u bilo
koje stanje s energijom < 5,71 MeV
– K39(d,)41Ca, zahvat deuterona
– K39(d,p) 40K
– K39(d,n)40Ca
– K39(d,a)37Ar
– K39(d,He3)38Ar
– K39(d,np)K39
– K39(d,t)K38 nije enegetski
• Sve su reakcije energetski moguće ali se ne događaju s jednakom
vjerojatnošću.