Transcript Atomsko jezgro - Fizika oko nas

Atomsko jezgro
nukleus = jezgro
mp = 1,67310-27kg = 1,00727 mu
mn = 1,67510-27kg = 1,008665 mu
me = 9,1110-31kg = 5,486 10-4 mu
atom vodonika 10–10 m
jezgro atoma vodonika 10-15 m
protoni i neutroni = nukleoni
mp/me=1840
-sva masa atoma je u jezgru
Broj protona u jezgru = redni broj
ili atomski broj = Z
Naelektrisanje jezgra
e  1,6  10
q = Ze
 19
Ugljenikovom izotopu 12C dodeljena je
masa od 12 ajm (12 atomskih jedinica
mase).
M
12
m u  1ajm 
C
Broj neutrona u jezgru = N
maseni broj A= Z + N

m 12 C
12

C
Na

12
 1, 6605  10
 27
23
12  N a
1
0 , 012 kgmol
12  6,023  10
M 12 C
mol
-1
kg
1
235
143
U
uran sa masenim brojem A=235 i
rednim brojem Z= 143
H2
235
Ca
U
2
2
Izotopi - atomi sa istim atomskim brojem Z a različitim brojem neutrona N
173
1
1
Au ,
174
Au ,
2
1
175
Au ,
176
Au , .......
7
3
3
1
H, H, H
203
204
Au ,
6
3
Li
Au
Li
Nuklidi- atomi sa istim brojem protona (istim atomskim brojem)
(izotopi svih elemenata obrazuju nuklid)
Izobari - različiti atomi koji imaju isti broj nukleona(isti redni a različit maseni
broj)
198
Pb ,
198
Tl ,
198
Hg ,
198
Au ,
198
Pt ,
198
Ir
Izotoni- imaju jednak broj neutrona
13
6
C
14
7
N
3
4
-Magnetni moment
Borov magneton-elektrona
B  
Nuklearni magneton-protona
eћ
2m e
N 
eћ
2m
p
 B   N
-magnetne osobine atoma vezane su za elektrone
5
Димензије језгра и густина
r  r0 A
1/ 3
,

r  1 . 2  10
1 fm  10
 15
 15

m A
1/ 3
,
m
Димензија језгра је реда величине фемтометра
(ферми) 10-15 m, док је величина атома 10-10 m
(ангстрем).
Већи атоми имају већи радијус језгра, али према
горњој формули, радијус расте спорије од атомског
броја!
23.5.2008.
Физика 2008
6
Густина језгра
Да би се проценила густина језгра, треба израчунати
запремину језгра и масу па направити однос!
Како је радијус језгра пропорционална трећем корену
атомског (масеног) броја А, густина језгра различитих
елемената ће бити независна од атомског броја.
M  Au

r  1 . 2  10
 15

m A
1/ 3

V  4 / 3  r  4 / 3  1 . 2  10
3

  u / 4 / 3  1 . 2  10
23.5.2008.
 15
m

3
Физика 2008
 15
m

3
A
 2 . 3  10
17
kg / m
3
7
SILE IZMEĐU NUKLEONA U JEZGRU
-ODBOJNA Kulonova sila između protona
-PRIVLAČNA jaka nuklearna sila
 najjače poznate sile u prirodi
 zasićene su
ne zavise od vrste nukleona
kratkog dometa
Brzo opadaju sa rastojanjem pa ne
deluju na elektrone u omotaču
8
Modeli jezgra
model tečne kapi ( sferni oblik,zasićenost,stalna
gustina,međumol.sile kao i nuklearne brzo opadaju,na stabilnost
utiče broj sastavnih čestica)
model ljuske ili kvazi atomski model-po ovom modelu nukleoni se
u jezgru grupišu poput e u omotaču –šel model (stabilna jezgra
imaju magičan broj protona ili neutrona 2,8,20,28,50,82 i 64 ,126
samo za neutrone
9
Defekt mase i energija veze
= defekt mase
Masa i energija vezane su Ajnštajnovom relacijom
Masi od mu=1ajm odgovara energija
.
E= Δmc2
E  muc
2
 931,48 MeV
Energija veze jednaka je radu koji je potrebno uložiti za razlaganje jezgra na sastavne
delove, ne dajući sastavnim delovima kinetičku energiju.
To je energija koja odgovara defektu mase jezgra m
10
11
O stabilnosti nekog jezgra možemo govoriti na osnovu
njegove energije veze po jednom nukleonu
f=E/A
Jezgra kod kojih je f>7MeV stabilna
f<7MeV nestabilna
Elementi na početku PSE imaju malu energiju veze po
nukleonu pa se njihovim spajanjem-fuzijom dobijaju teži
i stabilniji elementi.
Elementi sa kraja PSE imaju malu energiju veze po
nukleonu pa su sklona cepanju -fisiji
Na stabilnost jezgra utiče parnost-neparnost
4
2
12
6
16
8
He , C , O
Stabilna jezgra
12
A= Z + N
13
14
Zakon radioaktivne dezintegracije(raspada)
Zapazio Bekerel 1896. g, Raderford 1897.g. http://sh.wikipedia.org/wiki/
Nuklearna_fizika
Henri Bekerel (1852-1908, Francuska) 1896. g. otkrio radioaktivnost iz uranijuma
Vilhelm Konrad Rendgen (1845-1923, Nemačka) otkrio x-zrake,
Lord Ernest Raderford (1871-1937, Englaska) proučavao radioaktivnost i građu
atoma i jezgra,
Marija Kiri (1867-1934, Francuska) proučavala radioaktivnost( Polonijum i
Radijum).
15
Сан алхемичара
• 1918. Радефорд је
извео прву
нуклеарну
реакцију у
лабораторији.
Алфа честицама
је бомбардовао
азот и претворио
га у кисеоник(
totkrio
protone)
Физика 2008
16
α ili β
α ili β
α ili β
A    B    C    D .....
Nestabilni atom radioktivnim raspadom prelaze u atome elemenata sa manjim
atomskim brojem dok se ne dobije stabilan atom .
Prirodna radioaktivnost je proces spontane transformacije nestabilnih jezgara uz
emisiju α ili β čestica i γ zračenja.
Proces raspada teče prema statističkim zakonitostima
zavisan je od broja jezgara koja učestvuju u procesu
17
Vrste radioaktivnog zračenja - a zračenje
korpuskularne je prirode, predstavlja
jezgro atoma helijuma, 4 4
a  2 He
2
nosi pozitivno naelektrisanje koje iznosi 2e
emisijom a čestice svakom radioaktivnom
elementu smanjuju se atomska težina za 4
a redni broj za 2
A
Z
X 
A4
Z  2Y

4
2a
skreće malo u magnetnom polju
ima mali domet ali veliku jonizacionu moć
do105 jona , spektar linijski
ima veliku brzinu pri emisiji do 107m/s,
zahvate 2e i pretvara se u atom helijuma
226
88
Ra 
222
86
Rn  2 He
4
18
19
Vrste radioaktivnog zračenja - b zračenje
korpuskularne je prirode, predstavlja brze


elektrone ili pozitrone;
e
e
n  p  e 
-

p  n  e 
neutrino , antičestica 
masa b čestice (mb) zavisi od mase
elektrona u mirovanju me i brzine čestice v
mβ 
me
1
v
2
c
2
pri emisiji b zračenja radioaktivnom
elementu ne menja se maseni broj,
redni broj menja se za 1 .Spektar im je
neprekidan.
6
2

He  Li  β  ν
6
3
22
11

Na  10 Ne  β  ν
22
20
b, b- распад и електронски захват

- распад
A
Z
X  Z  1Y  e   e
b+ - распад
A
Z
X  Z 1Y  e 
e- - захват
A
Z
b-
A

A

X e 
e
Y 
A
Z 1
e

1
0

n  1 p  e  e
1

p  0 n  e 

1
1

1
1
1

e
p  e  n 
1
0
e
У b b распаду, eмитују се електрони и позитрони разних
енергија (уз неутроне и електронске неутрине (антинеутрине –
означени цртом изнад ознаке e))
23.5.2008.
Физика 2008
21
Vrste radioaktivnog zračenja - g zračenje
Elektromagnetni zraci male talasne dužine
tj. velike frekvencije
elektromagnetni spektar jezgra,
povezan sa strukturom jezgra .Spektar
zračenja je linijski.
Nastaje pri emisiji a i b čestica, jer tada
dolazi do pregrupisavanja nukleona
(protona i neutrona) po energijskim
nivoima u jezgru
Imaju veliku prodornu ali malu
jonizacionu moć ( do 103 parova jona).
22
g-распад
Гама распад: емитују се фотони. У њему,
побуђена језгра прелазе у ниже енергијско
стање. 14
14

6
14
7
C
7
N *
N * e  e
14
7
Ng
Ако језгро доживљава a-, b- или g-распад, маса система опада
а разлика у маси се рефлектује као ослобођена енергија :
E =23.5.2008.
(m)c2!
Физика 2008
23
Zakon radioaktivne dezintegracije(raspada)
Nestabilni atom radioktivnim raspadom prelaze u atome elemenata sa manjim
atomskim brojem dok se ne dobije stabilan atom
Neka imamo N0 atoma neke radioaktivne supstance
za vreme dt raspadne se dN atoma
Proces raspada teče prema statističkim zakonitostima
zavisan je od broja jezgara koja učestvuju u procesu
dN
 N
dt
dN
   dt
N
N  N 0e
N=N0/2 za vreme T – vreme(period) poluraspada
Vremenski interval nakon koga se broj neraspadnitih
Jezgara smanji na pola početnog broja
Aktivnost A
A 
dN
dt
 t
N0
2
 N 0e
 T
T 
ln 2

brzina promene broja jezgara
 N  N 0e
 t
[ A ]  Bq 
1 raspad
s
24
25
26
27
28
Opšta svojstva nuklearnih reakcija
Xa  YbE
E 
m X
X a , b  Y
 m a    m Y  m b m u c
2
E  m X  m a   m Y  m b   931 MeV
29
U nuklearnim reakcijama važe opšti zakoni održanja.
zakon održanja energije/mase
zakon održanja naelektrisanja
broj naelektrisanja pre i posle reakcije mora biti isti
zakon održanja broja nukleona
broj nukleona pre i posle reakcije mora biti isti
zbir nukleona u svemiru je konstantan
stvaranje protona uvek je praćeno stvaranjem antiprotona
zakon održanja spina
na taj način otkriven je neutrino i antineutrino
30
Fisija
235
92
U0n 
1
236
92
U  Z 11 X 
A
A2
Z2
Y   2 do 3 0 n  E
1
E  150 MeV
31
32
33
treba da u kratkom vremenu u procesi
fisije učestvuje veliki broj jezgara atoma
urana
lančana reakcija
energiju aktivacije ili prag nuklarne
reakcije
da bi se reakcija mogla kontrolisati,
sekundarni neutroni se moraju usporit
1. moderatori, teška voda-deuterijum ili
grafit
2. kritična masa urana
u kratkom vremenskom intervalu (10-6 s)
oslobađa se ogromna energija - nastaje
34
eksplozija
35
Proizvodnja električne struje
36
37
Fuzija
spajanje atomskih jezgara lakih hemijskih elemenata u jezgro srednje teškog elementa
Termonuklearni procesi:
Jezgra koje učestvuju u fuziji moraju imati veliku energiju da bi mogla da bude
savladana odbijana električna sila između jezgara i da bi se jezgra u sudaru
približila na domet nuklearnih sila.
To se postiže:
-ubrzavanjem jezgara u akceleratoru
-zagrevanjem do visokih temperatura.
-na Suncu
-u hidrogenskoj bombi
38
39