Transcript Letöltés
Már a Rutherford-féle szórási kísérletből is kiderült, hogy az atom nem tömör felépítésű. Feltételezték, hogy az atom igen kisméretű, pozitív töltésű magból és az elektronok alkotta burokból áll. Az atom mérete 10-10 méter nagyságrendű, a mag mérete csak 10-15 méter nagyságrendű. Ha az atommag egy stadion közepére helyezett meggy lenne, akkor a magot körülvevő elektronok pályái a stadion lelátójára esnének. 1 1896-ban Becquerel, francia fizikus uránsókkal végzett más jellegű kísérletei során figyelt fel arra, hogy az uránsó kristályának közelében hagyott fényképlemezen előhívás után a kristály nyoma láthatóvá vált. A Marie Curie (1867–1934), Pierre Curie (1859–1906) francia fizikus házaspárnak 1898-ban sikerült további radioaktív elemeket kémiailag elválasztani más elemektől. Ennek során fedezték fel a rádiumot és a polóniumot. 2 Már Rutherford feltételezte hogy léteznie kell egy olyan részecskének, amelynek az elektron töltésével megegyező nagyságú pozitív töltése van. A feltételezett részecske gondolata annyira természetes volt, s egyéb paramétereit is olyan pontosan meg lehetett határozni, hogy létezésében senki sem kételkedett. A kísérleti kimutatás P. Brackett nevéhez főződik, aki atommagok ütközéseit vizsgálta: 14 7 3 N He O H 4 2 17 8 1 1 A hidrogénatom magja a proton. Töltése: qp=1,6∙10-19 C Tömege: mp=1,6726∙10-27 kg 1930-ban különös jelenségeket észleltek a kísérletezők, amikor berilliumot héliummagokkal bombáztak. A bombázás hatására olyan áthatoló sugarat kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol, és töltéssel nem rendelkezik. A jelenséget Chadwick értelmezte 1932ben, neutronok kilépésével, a következő reakció szerint: 9 4 Be He C n 4 2 12 6 1 0 A neutron semleges, tömege közel azonos a proton tömegével: mn=1,6749∙10-27 kg 4 A rendszám az atommagban lévő protonok számával egyezik meg. Jele: Z. Az atommagban lévő protonok száma határozza meg az atommag kémiai minőségét. A tömegszám az atommagban lévő protonok és neutronok együttes száma. A protonokat és a neutronokat másképpen nukleonoknak is nevezzük. Tehát a tömegszám az atommagban lévő nukleonok számával egyezik meg. Jele: A Tömegszám Rendszám X X A Z 5 6 7 8 Izotópoknak nevezzük az olyan atomokat, amelyek magjában a protonok száma megegyezik, de a neutronok száma különböző. Az izotópok kémiai szempontból azonosak, de tömegük különbözősége miatt fizikai tulajdonságaik eltérőek. Izotópok szétválasztása tömegspektroszkóppal történik. Az atomoknak töltést adnak, és homogén mágneses mezőbe juttatják őket. A különböző tömegű részecskék eltérő sugarú körpályára állnak. 9 10 11 12 Az atommagban lévő protonok pozitív töltésüknél fogva taszítják egymást: Coulomb-erő Ezért a nukleonok között egy nagyon jelentős vonzó erőnek kell lennie, ez a nukleáris kölcsönhatás, röviden: magerő. Jellemzői: erősen vonzó rövid hatótávolságú töltésfüggetlen Az atommagot összetartó erőhatás természetének teljes megértése az elméleti fizikusok számára a mai napig sem lezárt problémakör. 13 Az atommag kötési energiáján azt az energiát értjük, melynek befektetésével az atommag egymástól távol lévő, szabad nukleonokra bontható fel. Jele: Ek Az energiamegmaradás elve szerint a szabad nukleonok atommaggá való egyesítésekor a kötési energiának megfelelő nagyságú nukleáris energia szabadul fel. Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotórészek tömegeinek összege. Ez a jelenség a tömegdefektus. E mc 2 A magyarázat Einstein relativitáselméletben megfogalmazott tömeg-energia ekvivalencia segítségével adható meg. A tömeghiánynak megfelelő energia a kötési energia. A kötési energia meghatározása egyben a speciális relativitáselmélet kísérleti bizonyítéka. 135/1 Határozzuk meg a hélium atommagjának a kötési energiáját a tömegdefektus alapján, ha ismerjük a héliumatommag pontos tömegét mHe = 4,003 u. (A proton tömege mp = 1,0073 u, a neutron tömege pedig mn = 1,0087 u. Az atomi tömegegység u = 1,6605 · 10–27 kg.) Adatok: Képlet: m He 4,003u Δm 2 mp 2 mn m He u ΔE Δm c 2 m p 1,0073u Számolás: m n 1,0087u u 1,660510 27 kg Δm 2 1,0073 2 1,0087 4,003 1,66051027 Δm 0,0291,66051027 0,04810 27 ΔE 0,0481027 3 108 Válasz: A hélium kötési energiája: 4,33 pJ 2 4,331012 Ábrázoljuk az egy nukleonra jutó átlagos kötési energiát a tömegszám függvényében: A grafikon menetéből arra lehet következtetni, hogy az atommagokból energiát nyerhetünk ki a könnyű atommagok egyesítésével (fúziójával), vagy a nehézatommagok hasításával (fissziójával). A nukleonokat összetartó magerő hasonló a folyadékokat összetartó kohéziós erőkhöz: rövid hatótávolságú, csak szomszédok között érvényesül. A atommag a folyadékhoz hasonlóan a legkisebb felületre törekszik. Az atommag energiája akkor a legalacsonyabb, ha a nukleonok nagyobb része belső, kisebb része külső nukleon. A kisebb atommagok a kevés belső nukleon miatt kevésbé stabilak. A kötési energia az A=56 tömegszámnál a legerősebb. A legnagyobb atommagok azért nem stabilak, mert az egymástól távollévő protonok között már nem érvényesül a magerő, viszont erős a protonok közötti taszító erő. A radioaktív sugárzás elektromos és mágneses téren átvezetve három sugárnyalábra bomlik. Az eltérülés mértékéből a sugárzásban részt vevő részecskék töltése és tömege határozható meg. 14 15 16 17 18 A radioaktív sugárzás részei: – sugárzás: kétszeresen ionizált He atommagokból áll. – sugárzás: nagy energiájú elektronokból áll. – sugárzás: nagy energiájú elektromágneses sugárzás. Ha egy atommag –sugárzást bocsát ki, akkor rendszáma kettővel, tömegszáma néggyel csökken. A4 Z2 α bomlás: X A Z Y He 4 2 19 Ha egy atommag – sugárzást bocsát ki, akkor rendszáma eggyel nő, tömegszáma változatlan marad. Ilyenkor egy neutronból egy proton és egy elektron keletkezik. β bomlás: X Y e A Z A Z1 0 -1 20 A -sugárzásnál valójában nincs szó magátalakulásról, mivel sem az A tömegszám, sem a Z rendszám nem változik. A gerjesztett atommag egy gamma-fotont bocsát ki. foton γ sugárzás : X X γ A Z A Z 0 0 A természetes radioaktív sugárzásoknál a -sugárzás mindig csak az - vagy a -sugárzás kísérőjeként jelentkezik. 21 Egy adott mennyiségű radioaktív anyag aktivitásán az időegység alatt elbomló atommagok számát értjük. Jele: A, Mértékegysége: 1/s=Bq (becquerel) N Kiszámítás a : A t Egy adott radioaktív anyag aktivitása arányos a még el nem bomlott magok számával. Az arányossági tényező a bomlásállandó () az anyag minőségre jellemző állandó. A λN Azt az időt, amely alatt egy radioaktív anyagban a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére csökken, felezési időnek nevezzük. Jele: T, mértékegysége: s A radioaktív izotópok felezési ideje állandó. Értéke nem függ sem a hőmérséklettől, sem más makroszkópikus anyagi jellemzőtől, csak az izotóp atommagjának belső szerkezetétől. 22 Egy radioaktív izotópban a t időpillanatban meglévő, el nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével t számolhatjuk ki: T 1 N t N 0 2 N0: az atommagok kezdeti száma T: a felezési idő t: az eltelt idő N(t): az atommagok pillanatnyi száma 23 143/2 A csernobili reaktorbaleset során radioaktív 131I-izotóp került Magyarország légterébe. A jód izotóp felezési ideje 8 nap. Mennyi idő múlva csökkent a jód aktivitása a kezdeti érték t t 1%-ára? T T Képlet: Adatok: T 8 nap Nt 0,01 N0 Számolás: Nt 1 1 Nt N 0 N0 2 2 Nt lg N Nt t 1 lg t T 0 lg 1 N0 T 2 lg 2 lg 0,01 2 t 8 8 8 6,64 53,15 lg 0,5 0,301 Válasz: A jód izotóp aktivitása 53 nap alatt csökkent 1%-ra. A radioaktív bomlás során egy kémiai elemből egy új elem jön létre. Ha ez radioaktív, újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás). Ezért négy bomlási sor létezik attól függően, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3. Ionizáló hatás: A radioaktív sugárzás biológiai hatása azon alapszik, hogy a sugárzás részecskéi (-, -részecskék és -fotonok) az élő anyag sejtjeiben • ionokat, • szabad gyököket hoznak létre, • az élettanilag fontos molekulák szerkezetét megváltoztatják. Mesterséges elemátalakítás nyomképe ködkamrában 23 A sugárzás élettani hatása függ: • az egységnyi tömeg által elnyelt sugárzás energiájától • a sugárzás fajtájától. Elnyelt dózis jele: De; mértékegysége: Gy (grey) Az élő szervezet által elnyelt sugárzási energiát osztjuk az anyag tömegével: Dózisegyenérték jele: H; mértékegysége: Sv (sievert) A sugárzás biológiai hatása függ a sugárzás minőségétől. H Q De E De m A szükségszerűen bekövetkező élettani hatások és a szervezetet ért sugárzás hatásos dózisa közötti összefüggés A testünkön kívüli sugárzásból származó sugárdózist külső sugárterhelésnek, a testünkbe átmenetileg bekerülő, vagy a szervezetünkbe tartósan beépülő izotópokból származó sugárdózist pedig belső sugárterhelésnek nevezzük. Kérdés:Hogyan lehetne megkülönböztetni a semleges neutronsugárzást a semleges -sugárzástól? Válasz: Részecskékkel való ütköztetéssel, mivel ugyanakkora energiájú neutronok és fotonok közül az előbbiek lendülete nagyobb, így azok jobban meglökik pl. az útjukba eső, állónak képzelhető protonokat. Kérdés:Melyik lehet az élő szervezetekre veszélyesebb: a rövid vagy a hosszú felezési idejű izotóp? Válasz: Mindkettő veszélyes lehet: a rövid felezési idejű azért, mert nagyobb az aktivítása, a hosszabb felezési idővel rendelkező pedig azért, mert hosszabb ideig sugároz. Előfordulhat, hogy a nagy tömegszámú atommag két kisebb, atommagra bomlik szét. Ez az esemény a maghasadás (fisszió), amely általában a már ismert radioaktív sugárzásokkal jár együtt. A külső gerjesztés általában megnöveli a bekövetkezés valószínűségét. Ilyen külső gerjesztés lehet például egy lassú neutron befogása. 1 0 144 89 1 n235 U Ba Kr 3 92 56 36 0n A maghasadás során energia szabadul fel. Egyetlen uránatommag hasadásakor felszabaduló energia kb. 30 pJ. Gyakorlati célokra is használható mennyiségű atomenergiát csak akkor nyerhetünk, ha a maghasadás folyamatát önfenntartóvá tesszük. Szilárd Leótól származik az ötlet, hogy hasznosítani lehet a maghasadáskor felszabaduló neutronokat, amelyek újabb maghasadásokat idézhetnek elő. Erre leginkább az urán 235-ös tömegszámú izotópja alkalmas. Arról is gondoskodni kell, hogy a neutronok ne szökjenek el, mielőtt újabb magokat hasítanának. A szükséges urán mennyiségét kritikus tömegnek nevezzük. A láncreakció a reaktorokban ellenőrzött formában zajlik. A felszabaduló energiát elektromos áram előállítására használják. A természetes uránban a 235-ös izotóp aránya csak 0,7%. Ezt kb. 3%-ra kell dúsítani. A hasadásakor keletkező gyors neutronokat lassítani kell, hogy újabb atommagokat hasítsanak. A lassításhoz vizet vagy grafitot alkalmaznak. A folyamatban résztvevő neutronok számát is szabályozni kell. Erre legalkalmasabb a bór és a kadmium, ami elnyeli a neutronokat. A reaktor hűtéséhez vizet használnak, ami a moderátor szerepét is betölti. 24 25 26 Működésekor a közönséges robbanóanyag indítótöltet egyesíti a két részből álló kritikus tömegű (urán vagy plutónium) hasadóanyagot és beindul a láncreakció. A keletkező nagy mennyiségű neutront a neutronvisszaverő réteg tartja vissza a láncreakció biztosítása érdekében. Atombomba háromféle hasadóanyagból állítható elő: • Urán 235 izotóp (a természetes urán 0,7%-a, bonyolult dúsítási eljárással vonható ki) • Plutónium 239 (urán üzemanyagú atomreaktorokban az urán 238-ból keletkezik) • Urán 233 izotópból (tórium üzemanyagú atomreaktorban keletkezik, de ilyen reaktorok jelenleg nem működnek) Becsüljük meg, hogy 50 kg össztömegű urántöltetet tartalmazó atombomba felrobbanásakor mennyi energia szabadul fel! Egy uránatommag hasadásakor felszabadult energiát vegyük átlagosan 32 pJ-nak. Adatok: Képlet: m 50 kg ε 32 pJ 32 10-12 J M U 235g 23510-3 kg N A 6 1023 Válasz: ΔE N ε m ΔE NA ε m M N NA M Számolás: 50 23 12 6 10 32 10 3 23510 50 6 32 14 10 40,8 1014 4,081015 235 E A atombomba robbanásakor 4,08∙1015 J energia szabadul fel. Kis tömegszámú könnyű atommagok fúziójánál magenergia szabadul fel. 2 1 H31H42 He01n energia Az atommagok egyesülését a nagy hatótávolságú, taszító Coulomb-erő gátolja. Ezért a fúziós folyamatok beindulásához igen magas (minimum 15 millió K) hőmérséklet szükséges. A csillagok belsejében a fúzióhoz szükséges magas hőmérsékletet kezdetben a gravitációs energia, később a beindult fúziós folyamat biztosítja. A Nap és a hozzá hasonló típusú csillagok belsejében hidrogénatommagok egyesülnek több lépcsőben stabil héliumatommaggá, miközben 4,48 pJ nagyságú kötési energiája szabadul fel. Becsüljük meg, hogy a Nap belsejében mekkora tömegű hélium keletkezik percenként a hidrogén fúziója révén! (A Nap sugárzási teljesítménye 3,86 · 1026 W, a héliummagok kötési energiája 4,48 pJ.) P Δt Adatok: Képlet: P 3,861026 W ΔE He 4,48pJ 4,4810-12 J Δt 60 s M He 4 g 4 10-3 kg N A 6 1023 Válasz: Számolás: N ΔE He M P Δt m M N A ΔE He m N N A 4 103 3,861026 60 m 23 12 6 10 4,4810 4 3,86 13 10 3,451013 4,48 A Nap belsejében 3,45∙1013 kg hélium keletkezik percenként. A fúziós reaktorok energiatermelését ipari méretekben még nem sikerült megoldani. Ennek elsősorban technikai akadályai vannak. A fő problémát a folyamathoz szükséges magas hőmérséklet és nagy nyomás jelenti. A könnyű magokat tartalmazó, plazmaállapotú anyagot mágneses mezővel lehet összetartani. Az erős mágneses mezőt toroid-tekerccsel állítják elő. Szabályozatlan formában történő termonukleáris reakciót már sikerült megvalósítani az ún. hidrogénbomba formájában. Itt a reakcióhoz szükséges magas hőmérsékletet és nagy nyomást a hasadóanyagot tartalmazó atombomba felrobbanása szolgáltatja. Teller Ede (1908-2003) magyar származású fizikus a hidrogénbombakutatásokban való aktív részvétele miatt, mint „a hidrogénbomba atyja” vált közismertté. Kérdés:Miért lassítják jobban a neutronokat a kis tömegszámú elemek, mint a nagy tömegszámúak? Válasz: A kis tömegszámú atommagok közel azonos tömegűek a neutronokkal, ezért a neutronok a velük való ütközésnél jelentősen lelassulnak. A nagyobb tömegű atommagokkal ütköző neutronok viszont kis energiaveszteséggel pattannak le a magokról. Kérdés:Vajon miért nem robbannak fel hidrogénbombaként a csillagok? Válasz: A csillagok „szabályozott fúziós reaktorok”. Ha a fúzió fokozódik, a hőmérséklet nő, a gáz kitágul. Ezért a magok ritkábban ütköznek. Ezért a fúzió lelassul, az anyag lehűl, a hőmérséklet csökken. Érvényesül a gravitáció hatása, a gáz összehúzódik, és a fúzió erősödik. A radioaktív izotópok által kibocsátott sugárzás a gyakorlatban széles körben felhasználható. A békés célú alkalmazási területek közül elsősorban az orvostudomány és az energiatermelés említhetők meg, de számos más területen is jól hasznosítható. Néhány példa ezek közül: Energiatermelés Gyógyászat Kormeghatározás Szenzorok Az atomenergia biztosítja a világ energiájának 6%-át és az elektromos energia 13-14%-át. Magyarországon a Paksi Atomerőmű termeli az elektromos energia felét. A világ 31 országban 439 atomenergia-reaktor működik (2007). Az atomenergia felhasználás előnye, hogy megfelelő üzembiztonság esetén káros kibocsátásoktól mentes, így az energiatermelés mellet a globális szennyeződések elmaradnak. Egy esetleges baleset kapcsán viszont komoly szennyező hatás következhet be. Az üzemeltetés kapcsán keletkező különböző radioaktív hulladékok elhelyezése és hosszú távú tárolása a termelés költségeit növeli. 27 A radioaktív izotópokat a gyógyászatban használják: nyomjelzésre, terápiás kezelésre. Nyomjelzés: a beteg szervezetébe kis mennyiségben sugárzó radioaktív izotópot juttatnak, és érzékeny műszerrel kísérik nyomon annak útját a szervezetben. Így történik a pajzsmirigy vizsgálata. Terápiás kezelés: A burjánzó sejtek a radioaktív sugárzással szemben érzékenyek. Ezért az előre meghatározott területre, meghatározott dózisssal történik a besugárzás. A radioaktív nyomjelzés ötlete és kidolgozása Hevesy György magyar származású kémikus nevéhez fűződik, aki ezért 1943-ban Nobel-díjat kapott. 28 Az élőlények maradványainak korát a radioaktív 14C izotóp koncentrációjából lehet határozni. A magas légkörben folyamatosan keletkezik 14C, és a dinamikus egyensúly miatt a 14C/12C izotópok aránya állandó. A szén beépül az élő szervezetbe. Miután az élőlény meghal, így az anyagcsere megszűnik, tehát a 14C izotópok aránya csökkenni kezd. Az izotóp felezési ideje: 5730 év. A maradványból kinyert szénizotópok arányából a maradvány életkorára lehet következtetni. 29 A radioaktivitást különböző érzékelő berendezésekben is alkalmazzák. Az ionizációs füstérzékelő kamrájában kis aktivitású radioaktív izotóp ionizálja a levegőt. Amikor a kamrába füstrészecskék jutnak, csökken az ionizáció, ezáltal lecsökken az ármaerősség, ezt észlelve keletkezik a riasztás. 30 Kérdés:Mit értünk tömegdefektuson? Válasz: Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotórészek tömegeinek összege. A tömeghiánynak megfelelő energia a kötési energia. E mc 2 Kérdés:Mit értünk aktivitáson? Válasz: Egy adott mennyiségű radioaktív anyag aktivitásán az időegység alatt elbomló atommagok számát értjük. Jele: A, mértékegysége: 1/s=Bq (becquerel) ΔN A Δt Kérdés:Mi a felezési idő? Válasz: Azt az időt, amely alatt egy radioaktív anyagban a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére csökken, felezési időnek nevezzük. Jele: T, mértékegysége: s Kérdés:Írd la a bomlási törvényt! Válasz: Egy radioaktív izotópban a t időpillanatban meglévő, el nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki: 1 N(t) N 0 2 t T