24. Jaderná fyzika

Kurzívou je slovní komentář

Jádro

• Rozměr atomů je cca 1E-10 m, rozměr jádra cca 1E-15 m, což odpovídá kouli o průměru 100 m pro obal a špendlíkové hlavičce 1 mm uprostřed (podíl je 100 000/1).

• V jádře nukleony (A) - protony (Z), neutrony (N), (obojí z kvarků)

• Přestože se protony výrazně odpuzují, mezi nukleony převažují mnohem silnější jaderné síly 

• je dobré si připomnět: jádro vodíku 1 p (obal 1 e); jádro helia 2 p, 2 n (obal 2 e); izotop vodíku - deuterium 1  p, 1 n (obal 1 e) atd.

• ještě si aspoň připomeňme atomovou hmotnostní konstantu mᵤ = 1,66E-27 kg, když vodík váží asi 1 ničeho (rel. at. hmotnost), pak v kg je to 1 × 1,66E-27 kg

Vlastnosti jaderných sil

• krátkodosahové

• nasycené (působí jen na omezený počet sousedních nukleonů)

• přitažlivé i odpudivé

• mnohem silnější než elektrické

Vazebná energie jádra

Kdybychom teoreticky složili jádro (např. helium 2 p a 2 n) z jednotlivých nukleonů, ukázalo se :-), že jádro je vždy malinko lehčí, než v součtu součástky (které byly původně samostatně). Toto platí při teoretickém složení jakéhokoli jádra z jednotlivých nukleonů. Tento rozdíl hmotností se nazývá úbytek hmotnosti. Tedy část hmotnosti se přeměnila na energii Ev = Δmc².

• Ev = (mp + mn - mj) c² 

     Ev = (hmotnost protonů + hmotnost neutronů - jádro) × c², někdy se úbytek hmotnosti značí B, tedy Ev = Bc²

• Ev je vazebná energie jádra

Představuje energii, která se uvolní při vzniku jádra z volných nukleonů. Je to také energie, kterou je nutno jádru dodat, aby došlo k jeho rozdělení na jednotlivé nukleony.  

• Vazebná energie jádra je rovna práci, kterou bychom vykonali při rozložení jádra na jednotlivé nukleony. Hmotnost součástek by při tom vzrostla.

Závěr: nejdůležitější vztah je tučně

V grafu je závislost Єv (nikoli Ev) na A (počtu nukleonů), fúzió je slučování a hasadás je štěpení (v maďarštině)

• Jádra vlevo od železa - když sloučíme dvě lehká jádra, posuneme se doprava a nahoru a Єv vzroste (energie se uvolnila, hmotnost vzniklého jádra  (nebo jader) klesne vzhledem k původním jádrům v součtu) - JADERNÉ SLUČOVÁNÍ

• Když sloučíme dvě železa, posuneme se doprava a dolů - Єv  klesne a energii je třeba dodat. (?)

• Jádra vpravo od železa - když rozložíme těžké jádro, posuneme se doleva a nahoru a Єv vzroste (energie se uvolnila, hmotnost vzniklých jader v součtu klesne vzhledem k původnímu jádru) - JADERNÉ ŠTĚPENÍ

• Když rozložíme železo, posuneme se doleva a dolů - Єv  klesne a energii je třeba dodat. (?)

pozn. k otazníkům, rozložením jádra železa nebo jeho složením se žádná energie neuvolní.

pozn. slučování a štěpení jader je něco jiného než teoretické skládání (rozkládání) jádra z jednotlivých nukleonů. Vystupuje tu vazebná energie na jeden nukleon, nikoli vazebná energie.

Druhy radioaktivního záření

α  jádra hélia, β+ proud pozitronů, β- proud elektronů, γ (gama) proud fotonů, n  proud neutronů

α, β+, β-  mají náboj, lze vychýlit el., mg. polem, 

γ - pod řádově 1E-10 m (nad 10 keV, pod 124 pm = 1,24E-10 m)

pozn. 

p se rozpadá (při reakci) na n  +  e+  (pozitron β+ záření) (pomůcka + = 0 a +)

n se rozpadá na p  +  e- (elektron β- záření) (pomůcka 0 = + a -)

Graf zákona radioaktivní přeměny

Využití radionuklidů

• PET pozitronová emisní tomografie

• sterilizace nástrojů

• léčení nádorových onemocnění

• určování stáří vzorků

Jaderná fúze (slučování)

princip vysvětlen výše

Jaderné štěpení 

princip vysvětlen výše

Jaderný reaktor

Zařízení na štěpení např. U 235 pomalým neutronem, vzniknou dvě lehčí jádra (uvolní se energie) a 2 až 3 další neutrony, jež se podílejí na dalším štěpení, celé se to zahřívá a ohřívá tak vodu (páru). Mohou vzniknout různé kombinace jader.