Jadrová fyzika

Comptonov jav·R. 1922 – Compton študoval rozptyl röntgenoveho žiarenia na parafíne (zmes uhľovodíkov)·Za takýto rozptyl sú zodpovedné najmä elektróny obsiahnuté v parafíne·Ak ich väzbová energia je podstatne väčšia ako energia dopadajúcich fotónov možno tieto elektróny považovať za voľné·Hlavným a z hľadiska klasickej fyziky prekvapujúcim výsledkom Comptonových pokusov bolo zistenie, že dĺžka vlny rozptýleného svetla je väčšia ako vlnová dĺžka svetla dopadajúceho·Veľmi prirodzené vysvetlenie tohto javu podali Compton a Debye na základe fotónovej hypotézy pomocou zákonov zachovania energie a zachovania hybnosti pri zrážke elektrónu a fotónu· ·h.f=hf`+E`hf`λ =c/f λ`=c/f`∆λ=λ`-λ (závisí od uhla rozptylu)p=h/λ; λ=h/pVlnové slastnosti častíc·Fotón a elektrón nie sú ani časticou ani vlnou, sú to objekty mikrosveta, ktoré majú časticové aj vlnové vlastnosti·Schopnosť interferencie má každý jednotlivý elektrón·Elektrón nie je ani časticou ani vlnou·Kvantová teória predpovedá pravdepodobnosť výskytu elektrónu, neurčuje jeho miesto·Elektr=on, fotón a ďalšie objekty mikrosveta majú časticové aj vlnové vlastnosti·Ich správanie nemožno opísať zákonmi klasickej fyziky, preto zákony kvantovej fyziky musia byť odlišné od zákonov klasickej fyziky·Keď Ψ(x, y, z, t) je vlnovou funkciou elektrónu, potom | Ψ (x, y, z, t) |

2 ∆V určuje pravdepodobnosť výskytu elektrónu v objeme ∆V so stredom v bode (x, y, z) v čase t·Vlnová funkcia Ψ(x, y, z, t) nie je vlnením istého prostredia, ale charakterizuje ho stav časticeČiarové spektrá·Atómy v zohriatom plyne vysielajú žiarenie len s istými vlnovými dĺžkami – vzniká čiarové spektrum, čo klasická fyzika nevie vysvetliť·N. Bohr – kvantový model atómu vodíka; Bohrove postuláty:·1) Atóm sa môže nachádzať len v istých kvantových stavoch, pričom každý stav má presne určenú hodnotu energie·2) Pri prechode atómu zo stavu s energiou En do stavu s nižšou energiou Em vysiela atóm žiarenie s frekvenciou fm; En – Em = h.fnmλnm = c/fnm·Základný stav – s najnižšou energiou; Excitovaný stav Princíp lasera·Laser – zosilľovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia·A) spontánna emisia ·B) absorpcia ·C) stimulovaná emisia ·E2 – E1 = hf = h. c/ λ·Einstein:·Keď na atóm v stave 2 dopadá žiarenie s frekvenciou f spĺňajúcou vzťah 1, atóm môže prejsť z 2 – 1 a vyžiariť energiu E2–E1; Toto žiarenie má rovnaký smer a fázu ako žiarenie, ktoré ho vyvolalo·Je súčasne koherentné s dopadajúcim žiarením·Dopadajúce žiarenie sa zosiluje procesom stimulovanej emisie·1. laser – rubínový laser; kryštál Al2O3 + ióny Cr·2. lasery – plynové, polovodičové·Výhoda laserov je usmernenie svetla na plôšku s priemerom 10-6m – E = ~ 1010 W/m2·

Napaľovačky – diódový laser – polovodič Elektrónový obal atómu na základe kvantovej fyziky·De Brogliehr – využijúc vlnové vlastnosti (stojaté vlnenie v priestore) elektrónu a jeho kvantové stavy·Kvantovým stavom slektrónu v atóme sú priradené stojaté elektrónové vlny v 3 rozmeroch za podmienky, že charakter kvantového stavu sa časom nemení (stacionárne stavy)·Zjednodušenie – elektrónová stojatá vlna len v jednom smere (os x) – analógia so strunou·Amplitúda A(x)·Ψ(x,t) (psí)·λ = 2L(dĺžka struny)/n(kvantové číslo)E = h2/2m λ2E = ½ mev2 = p2/2m; p=m . v; p=h/v·En = h2/8mL2 . n2 ; n=1,2,3,... – výraz pre kvantovéenergie na úsečke·E1 = h2/8mL2 – energia základného stavu atómu·Pre trojrozmernú vlnu potrebujeme 3 kvantové čísla: n, l, m + ďalšie kvantové číslo s·n – hlavné kvantové číslo, udáva E atómu; 1 - 7; K - Q – stavy·l – vedľajšie kvantové číslo, pomáha predstaviť si tvar orbitálu; 0, 1, 2, 3, 4; s, p, d, f, g·m – magnetické kvantové číslo; -l, ...0...+l (2l + 1); popis orientácie elektrónu v priestore·Najnižšia E atómu v základnom stave: E1 = -13,6 eV·Energia v excitovanom stave: En = 1/n2 .

E1·Počet elektrónov v orbitále: e- = 2n2Časticové zloženie jadier, nuklidy, izotopy·Atómové jadro – nukleus – protóny p+; neutróny n0 => nukleóny·Nukleónové číslo A ·Protónové číslo Z ·Neutrónové číslo NA = Z + N·Náboj jadra qj qj = +Z . ee = 1,602 . 10-19 C·Relatívna atómová hmotnosť·u – atómová hmotnostná jednotka 1/12 126Cmu = 1,66 . 10-27 kg·mp = 1,6725.10-27 kg; mn = 1,6748.10-27 kg;me = 9,109.10-31 kg·Pokojová hmotnostná častica·Keď sa častica nepohybujem(X) = Ar(x).mu·Súčet atómových hmotností nuklónov v jadre – mj`=Z.mp+Nmn; mj Ej = 93 MeV; 23892U: Bj = 2 mn => Ej = 1800 MeV·Táto Ej je obrovská a dosahuje 1% hmotnosti jadra·εj – väzbová energia pripadajúca na 1 nukleónεj = Ej/A·Čím je hodnota εj väčšia, tým je ťažšie rozdeliť dané jadro na nukleóny; Ej> 0Bj>0=> treba energiu dodať·Jadrové sily: Krátke na dosah·1) silné interakcie – keď sa prekoná elektrostatický odpor častíc·2) slabé interakcie – pri rádioaktívnom žiarení·3) elektrostatická interakcia – v jadrách je prekonaná·4) gravitačná interakciaSyntéza a štiepenie jadier·Jadrová energia sa uvoľňuje pri 2 dejoch:·A) syntéza ľahkých jadier (+ vystačí 100 000 obyvateľom na dva tri mesiace

Prirodzená a umelá rádioaktivita·R. 1896 – H. Becquerel – objavil prirodzenú rádioaktivitu; výskum uránových solí (farbenie skla)·Žiarenia: α – vychyľuje sa k západnému pólu; β – vychyľuje sa kukladnému pólu; γ – prechádza bez zmeny·R. 1934 – objavená umelá rádioaktivita·Jadrá rôznych prvkov vysielajú žiarenie ·Samovoľná premena atómových jadier·Žiarenie:α – má najkratší dosah; zastaví ho už tenký papier; prúd héliových častíc 42He s kladným nábojomβ – prúd elektrónov (100 tis. km/s); 2 druhy: β- - žiarenie elektrónov; β+ - žiarenie pozitrónovγ – elmag. vlnenie (prúd fotónov) o veľmi krátkej vlnovej dĺžke; silné elmag. žiarenie:hυ=10 keV·Rádioizotopy – jadrá sú nestabilné; podliehajú rád. premene; menia sa na stabilnejšie rádioizotopy; nuklidy, ktorých jadrá vysielajú žiarenie·1. žiarič objavila M. Curiová (Skladovská) r. 1898; 22688Ra 22286Rn; 42He; energia X častíc: 4,8 MeV·1. transmutácia prvkov – Rutherford; premena dusíka na kyslík (ostreľovanie α časticami)·42He + 147N 178O + 11H [147N(α, p)178O]·R. 1932 – Chadwick objavil neutróndetekcia neutrónov – nepriama metóda·42He + 94Be 126C + 10n10n + 105B 75Li + 42He·

Umelá rádioaktivita – r. 1934 objavili manželia Curiovci·42He + 2713Al 3015P + 10n; 3015P – samovoľný rozpad: 3015P 3014Si + 01e + υ; 01e – pozitrón; υ – neutrino·Z principálneho hľadiska nie je rozdiel medzi prirodzenou a umelou rádioaktivitou (všetky procesy prebiehajú rovnako), rozdiel je v tom, že vznikajú izotopy, ktoré sa v prírode nenachádzajúČasový priebeh rádioaktívnej premeny·Rádioaktívny rozpad je náhodný proces; kedy sa konkrétny atóm premení je náhodné; keď sa však premení, je to následok vlastností atómov; všetky určujúce podmienky však nemožno v jednotlvostiach postrehnúť·Štatistické metódy: Súboru veľmi veľkého množstva atómov s danými podmienkami zodpovedá štatistický zákon; uplatní sa aj v zákone rádioaktívnej premeny·Štatistický zákon: N = N0.e-λtN: počet nerozpadnu-tých rádionuklidov po uplynutí času t; N0:pôvodný počet častíc; e: 2,71828; λ: rozpadová konštanta – konštanta premeny·Polčas premeny: T – čas, za ktorý sa premení vždy polovica počtu rádionuklidov; N0/2 = N0 . e-λt T = ln2/λ = 0,693/λVyužitie rádionuklidov

·Defektoskopia - V technickej praxi; Umelý žiarič – žiarenie preniká cez materiály, zachytáva sa na druhej strane·Porovnanie γ žiarenia – určenie chýb materiálu·Princíp: zachytávanie β a γ žiarenia (zoslabenie žiarenia prechodom látkou)·Len na anorganické materiály·Pri organických látkach dochádza k zmenám materiálu·Zmena vlastností látok po žoiarení - Na liečbu zhubných nádorov sa používa žiarenie γ vysielané rádionuklidom, napr. 6027Co; žiarenie vychádza úzkym otvorom, dá sa dobre nasmerovať jedným smerom; Sterilizácia nástrojov·Jadrové batérie - Termoelektrický Seebeckov jav – hlavný materiál je umelý prvok plutónium 23894Pu s T = 87 rokov·Základom je teplotný rozdiel 2 kovov (rozdiel napätia)·Značkované atómy - Izotopy sa líšia len fyzickými vlastnosťami; 3215P; 2411Na; 1353I·Stupujú chemické procesy pri metabolizme, rýchlosť odbúravania určitého prvku v organizme·Jadrové hodiny - Izotop uhlíka 146C s T = 5370 rokov·Vzniká reakciou n + 177N 146C + p·Tento izotop sa rozpadá na 146C 147N + 01e => β rozpad·Premena uhlíka – obsah v organických látkach·U dreva, kostí, človekaBezpečnosť a ochrana zdravia (BOZ)·Dozimetre – prístroje meracie ionizujúce žiarenie

·Človek žiarenie nevníma; Ochrana vzdialenosťou, časom, tienením; Čím ďalej, tým je ochrana väčšia; Čím kratší čas, tým lepšie; Tienenie – prekážka – žiarenie klesá rýchlejšie·Ochrana zárodkových buniek, krvi, kostnej dreni·Ochrana životného prostrediaFyzika „elementárnych“ častíc – Subjadrová fyzika·Neuvažujeme o elektromagnetickom žiarení, fotónoch·1932 – objavený pozitrón e+ hmotnosťou sa podobá e-, vlastnosťami spinu; antičastica e- ·Anihilácia hmoty – premena hmotných častíc na E (nie zánik) – uplatnenie v špeciálnej teórii relativity·e- + e+ γ + γ-·e- + e+ γ + γ + γ-·Materializácia – energia častica + antičastica·Ďalšie častice – Mezóny·Mezóny:mióny – μ+; μ- - podobné pozitrónom a elektrónom· :pióny – π+; π0; π- - držia pokope neutróny a protóny v jadre·Protón: p = (uud) náboj 1e-; u, d = kvarky; u – má náboj 2/3 e-; d – má náboj 1/3 e-; za viazanie kvarkov zodpovedajú Gluóny

·Neutrón: n = (udd) náboj 0e-·V jadre prebiehajú slabé interakcie => rozpad neutrónu a protónu· n p + e- + υ;(υ – antineutríno); samovoľný dej· p n + e+ + υ; nie je samovoľný proces, je potrebné dodať energiu·116C 115B + e+ + υe·Neutríno – 3 druhy: elektrónové, miónové, tau:·Vzniká pri rádioaktívnom rozpade jadra kedykoľvek vyšle alebo pohltí elektrón alebo pozitrón·Sú „veľmi plaché a nevšímavé“ – zúčastňujú sa len na slabých interakciách·Za celý život cez naše telo preletí 1024 neutrín a len 1 sa zachytí·Vznikajú v jadrách hviezd (napr. Slnka) pri premene p+ na n·C2Cl4 (perchlóretylén); 3717Cl + υe 3718Ar + e-