Fizyka jądrowa - rozszczepienie, reakcja łańcuchowa i synteza

1.Nukleony

Cząstki budujące jądro atomowe: protony (ładunek dodatni $+e$) i neutrony (bez ładunku). Mają prawie jednakowe masy, a łączy je w jądrze oddziaływanie jądrowe (silne).

2.Liczba atomowa Z

Liczba protonów w jądrze. Wyznacza, jaki to pierwiastek, i jest równa ładunkowi jądra w jednostkach $e$ oraz liczbie elektronów w obojętnym atomie.

3.Liczba masowa A

Liczba wszystkich nukleonów w jądrze (protonów i neutronów). Liczba neutronów to $N = A - Z$. Jądro zapisujemy jako $^{A}_{Z}\mathrm{X}$, np. $^{235}_{92}\mathrm{U}$ ma 92 protony i 143 neutrony.

4.Izotopy

Odmiany tego samego pierwiastka, których jądra mają tę samą liczbę protonów, a różną liczbę neutronów (to samo Z, inne A), np. $^{12}_{6}\mathrm{C}$ i $^{14}_{6}\mathrm{C}$.

5.Reakcja jądrowa

Przemiana jądra atomowego, samorzutna (rozpad promieniotwórczy) albo wywołana zderzeniem z cząstką, w której powstaje jądro innego izotopu lub pierwiastka, np. $^{14}_{7}\mathrm{N} + ^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow ^{17}_{8}\mathrm{O} + ^{1}_{1}\mathrm{p}$.

6.Zasady zachowania w reakcjach jądrowych

Suma liczb masowych (liczba nukleonów) i suma liczb atomowych (ładunek) przed reakcją i po niej są takie same. Zachowana jest też energia całkowita, ale suma mas spoczynkowych zwykle się zmienia.

7.Symbole cząstek w zapisie reakcji

Neutron $^{1}_{0}\mathrm{n}$, proton $^{1}_{1}\mathrm{p}$ (jądro wodoru $^{1}_{1}\mathrm{H}$), cząstka alfa $^{4}_{2}\mathrm{He}$, elektron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$, foton gamma $^{0}_{0}\gamma$.

8.Rozpad alfa

Jądro emituje cząstkę alfa, czyli jądro helu $^{4}_{2}\mathrm{He}$ (2 protony i 2 neutrony). Liczba masowa maleje o 4, a atomowa o 2, np. $^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow ^{234}_{90}\mathrm{Th} + ^{4}_{2}\mathrm{He}$.

9.Rozpad beta minus

W jądrze neutron przemienia się w proton, elektron i antyneutrino; elektron i antyneutrino opuszczają jądro. Liczba masowa się nie zmienia, a atomowa rośnie o 1, np. $^{14}_{6}\mathrm{C} \rightarrow ^{14}_{7}\mathrm{N} + ^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar{\nu}$.

10.Promieniowanie gamma

Fala elektromagnetyczna (fotony) o bardzo dużej energii. Emituje je jądro wzbudzone, zwykle tuż po rozpadzie alfa lub beta, gdy przechodzi do stanu o niższej energii. Liczby A i Z się nie zmieniają.

11.Czas połowicznego rozpadu

Czas $T_{1/2}$, po którym rozpada się połowa jąder danego izotopu w próbce. Jest stały dla izotopu i nie zależy od temperatury, ciśnienia ani wielkości próbki; nie da się przewidzieć, kiedy rozpadnie się pojedyncze jądro.

12.Ile jąder zostaje po n czasach połowicznego rozpadu?

Po każdym $T_{1/2}$ liczba jąder maleje o połowę, więc po $n$ takich okresach zostaje $N = \frac{N_0}{2^n}$, np. po 3 okresach zostaje $\frac{1}{8}$ początkowej liczby jąder.

13.Równoważność masy i energii

Każdej masie odpowiada energia spoczynkowa $E = m \cdot c^2$, gdzie $c = 3 \cdot 10^8~\mathrm{m/s}$. Gdy w reakcji masa maleje o $\Delta m$, wydziela się energia $\Delta E = \Delta m \cdot c^2$.

14.Deficyt masy

Różnica między sumą mas swobodnych nukleonów a masą jądra, które z nich powstaje: $\Delta m = Z \cdot m_p + (A - Z) \cdot m_n - m_j$. Jądro jest zawsze lżejsze niż jego składniki osobno.

15.Energia wiązania jądra

Energia potrzebna do rozdzielenia jądra na swobodne nukleony; tyle samo energii wydziela się, gdy jądro z nich powstaje. Oblicza się ją z deficytu masy: $E_w = \Delta m \cdot c^2$.

16.Energia wiązania na nukleon

Energia wiązania jądra podzielona przez liczbę nukleonów $A$, miara trwałości jądra. Jest największa dla jąder średnich (około żelaza, $A \approx 56$), a mniejsza dla jąder lekkich i ciężkich.

17.Skąd energia z rozszczepienia i z syntezy?

W obu przemianach powstają jądra o większej energii wiązania na nukleon niż substraty, więc masa produktów jest mniejsza i różnica wydziela się jako energia: ciężkie jądra (uran) się dzielą, a lekkie (wodór) łączą.

18.Elektronowolt (eV)

Jednostka energii używana w fizyce jądrowej: $1~\mathrm{eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$, a $1~\mathrm{MeV} = 10^6~\mathrm{eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-13}~\mathrm{J}$.

19.Rozszczepienie jądra uranu-235

Jądro $^{235}_{92}\mathrm{U}$ pochłania powolny neutron i staje się nietrwałym $^{236}_{92}\mathrm{U}$, które dzieli się na dwa jądra średnie, emitując 2-3 neutrony i około 200 MeV energii, np. $^{235}_{92}\mathrm{U} + ^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow ^{141}_{56}\mathrm{Ba} + ^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,^{1}_{0}\mathrm{n}$.

20.Reakcja łańcuchowa

Neutrony z jednego rozszczepienia wywołują kolejne rozszczepienia. Gdy dalej działa średnio jeden neutron, reakcja jest kontrolowana (reaktor); gdy więcej, liczba rozszczepień lawinowo rośnie (bomba atomowa).

21.Masa krytyczna

Najmniejsza masa materiału rozszczepialnego, w której reakcja łańcuchowa podtrzymuje się samorzutnie. W mniejszej bryle zbyt wiele neutronów ucieka na zewnątrz, zanim wywoła kolejne rozszczepienia.

22.Warunki reakcji łańcuchowej

Każde rozszczepienie musi średnio wywołać co najmniej jedno następne: materiał rozszczepialny ma mieć masę co najmniej krytyczną, a w reaktorze z uranem neutrony trzeba spowolnić, bo U-235 łatwiej pochłania neutrony powolne.

23.Paliwo jądrowe

Najczęściej uran wzbogacony w izotop U-235 (w uranie naturalnym jest go ok. 0,7%, reszta to U-238), w reaktorach energetycznych do kilku procent. Ma postać pastylek tlenku uranu w prętach paliwowych.

24.Moderator

Substancja w reaktorze, która spowalnia szybkie neutrony z rozszczepień, bo U-235 łatwiej pochłania neutrony powolne. Moderatorem jest np. zwykła woda, ciężka woda albo grafit.

25.Pręty sterujące

Pręty z materiału silnie pochłaniającego neutrony (np. kadm, bor). Wsunięte głębiej zmniejszają liczbę neutronów i moc reaktora, wysunięte ją zwiększają; całkowite wsunięcie zatrzymuje reakcję.

26.Chłodziwo i osłona reaktora

Chłodziwo (najczęściej woda pod wysokim ciśnieniem) odbiera ciepło z rdzenia i przenosi je do wytwornicy pary. Gruba osłona ze stali i betonu zatrzymuje promieniowanie.

27.Zasada działania elektrowni jądrowej

Energia rozszczepień w reaktorze zamienia się w energię wewnętrzną (ciepło) chłodziwa. Ciepło zamienia wodę w parę, para napędza turbinę (energia kinetyczna), a turbina prądnicę, która wytwarza energię elektryczną.

28.Zalety elektrowni jądrowej

W czasie pracy nie emituje dwutlenku węgla, pyłów ani tlenków siarki; potrzebuje bardzo mało paliwa w stosunku do wytworzonej energii; pracuje stabilnie, niezależnie od pogody.

29.Zagrożenia związane z elektrowniami jądrowymi

Ryzyko poważnej awarii z uwolnieniem substancji promieniotwórczych (Czarnobyl 1986, Fukushima 2011), odpady promieniotwórcze, które trzeba bezpiecznie przechowywać przez bardzo długi czas, oraz wysokie koszty i długi czas budowy.

30.Odpady promieniotwórcze

Najbardziej aktywne jest wypalone paliwo jądrowe. Najpierw stygnie w basenach z wodą przy reaktorze, potem trafia do szczelnych pojemników i składowisk; część izotopów pozostaje promieniotwórcza przez tysiące lat.

31.Synteza termojądrowa

Łączenie lekkich jąder w cięższe, np. $^{2}_{1}\mathrm{H} + ^{3}_{1}\mathrm{H} \rightarrow ^{4}_{2}\mathrm{He} + ^{1}_{0}\mathrm{n}$. Zachodzi w temperaturze milionów kelwinów, bo dodatnie jądra muszą pokonać odpychanie elektrostatyczne.

32.Źródło energii gwiazd

Synteza termojądrowa wodoru w hel w jądrze gwiazdy: cztery protony przekształcają się w jądro helu-4. Masa helu jest o ok. 0,7% mniejsza niż masa czterech protonów, a różnica wydziela się jako energia.

33.Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy

Promieniowanie jonizuje atomy i cząsteczki w komórkach i uszkadza DNA. Duże dawki wywołują chorobę popromienną, a mniejsze zwiększają ryzyko nowotworów i mutacji. Skutki zależą od dawki, rodzaju promieniowania i napromienionych narządów.

34.Ochrona przed promieniowaniem

Dawkę zmniejsza krótszy czas przebywania przy źródle, większa odległość od niego i osłona: przed promieniowaniem gamma gruba warstwa ołowiu lub betonu. Skutki napromienienia mierzy dawka skuteczna w siwertach (Sv).

35.Zastosowania promieniotwórczości w medycynie

Radioterapia niszczy komórki nowotworowe, izotopy znaczniki (np. jod-131 w badaniu i leczeniu tarczycy) pozwalają śledzić pracę narządów, a promieniowanie gamma sterylizuje sprzęt medyczny.

36.Zastosowania promieniotwórczości w technice

Prześwietlanie spawów i odlewów promieniowaniem gamma (defektoskopia), pomiar grubości materiałów, czujniki dymu z izotopem ameryku, sterylizacja żywności oraz datowanie izotopowe.

37.Datowanie węglem C-14

Żywy organizm pobiera węgiel z otoczenia, więc ma stały udział C-14. Po śmierci C-14 tylko się rozpada ($T_{1/2} \approx 5730$ lat), a z ubytku C-14 w szczątkach oblicza się, ile lat minęło od śmierci organizmu.