Jádro atomu

Jádro – centrální část atomu

– prakticky celá hmotnost atomu

– průměr řádově 10^{– 15} m

– složen z protonů a neutronů, které drží v jádře jaderné síly (přitažlivé, silné, s krátkým dosahem, působí bez ohledu na elektrický náboj)

– jádro se zapisuje ve tvaru: , X – prvek, Z – protonové číslo prvku (počet protonů), A – nukleonové číslo prvku (počet nukleonů – protonů a neutronů v jádře)

Vazebná energie jádra: ; m_j – klidová hmotnost jádra. Vazebná energie jader nuklidů se liší Þ pro srovnání vazebná energie na jeden nukleon:

Je znázorněna závislost e_j na A. Stabilní jádra mají vysoké hodnoty e_j. Rozdíly v e_j umožňují uskutečňovat štěpné reakce a syntézy jader (zisk energie provází zvýšení stability jádra a zvýšení hodnoty e_j). Nukleony v jádře mohou být jen v určitých kvantových stavech a vytváří tzv. slupky → slupkový model jádra. Dále se jádro chová jako kapka kapaliny (snaží se zachovávat kulovitý tvar) → kapkový model jádra. Platí oba.

Radioaktivita

Radioaktivita je schopnost atomových jader vysílat záření a nestabilní atomová jádra se jím postupně mění v stabilní jádra jiných prvků.

Přirozenou radioaktivitu objevil H. Becquerel a prostudovali ji manželé Curieovi.

Záření:

a – proud jader helia, která mají velkou kinetickou energii (2–8 MeV) Þ silné ionizační účinky. Působí na ně elektrické a magnetické pole, pohlcuje je list papíru, několik cm vzduchu. Zářič a nebezpečný při požití nebo vdechnutí – v organismu ho nic neodstíní. V mlžné komoře ionizuje nasycené páry a ty kondenzují Þ ukáže dráhu letu a částice. Rozpad a:

b⁺ – proud pozitronů (antielektronů – kladný náboj) emitovaných z jádra. Pohybují se rychlostí blízkou rychlosti světla. Vychylují se v elektrickém i magnetickém poli, vzniká přeměnou protonu na neutron. 

Rozpad b⁺:

b^– – proud elektronů o energii až 10 MeV emitovaných z jádra. Pohybují se rychlostí blízkou rychlosti světla. Vychylují se v elektrickém i magnetickém poli a jsou pohlcovány tenkým plechem. Vzniká přeměnou neutronu na proton.  (antineutrino)  Rozpad b^–:

Záření b⁺ a b^– se v el. a mag. poli vychylují na opačnou stranu.

g   – nejpronikavější, lze jej zeslabit silnou vrstvou železobetonu nebo materiálem obsahujícím jádra těžkých prvků (Pb). V magnetickém a elektrickém poli se neodchyluje – je to elektromagnetické vlnění o vlnové délce kratší než má rentgenové záření. Má silné ionizační účinky a v důsledku fotoel. jevu uvolňuje z látek nabité částice. Neexistuje samostatně, doprovází a a b. Je nejškodlivější – způsobuje nemoc z ozáření, rakovinu a genetické změny, ale také ničí mikroorganismy Þ sterilizace. V průmyslu může nahradit rentgenové záření.

Neutronové – vzniká v jaderných reaktorech, při jad. výbuchu. Chrání před ním materiály obsahující jádra vodíku a dalších lehkých prvků ® voda, těžká voda, parafín, beton apod.

Umělá radioaktivita – u radionuklidů připravených uměle jadernými reakcemi. Objevena manželi Joliot-Curieovi při ostřelování hliníku částicemi a: . Fosfor  v přírodě neexistuje. Je zářičem b⁺ s poločasem rozpadu T = 130 s.

Dnes se umělé radionuklidy využívají v řadě oborů (zemědělství, medicína)

Zákon radioaktivní přeměny

Počet radioaktivních přeměn za sekundu udává fyzikální veličina aktivita A

[A] = Bq (becquerel) = s^–1 Starší jednotka curie – 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ Bq

Počet nerozpadlých jader N radionuklidu v čase t udává zákon radioaktivního rozpadu (přeměny):

 

N₀ – počet jader v čase t = 0 s; e – Eulerovo číslo; l - přeměnová konstanta

Pro aktivitu platí:

            A₀ – počáteční aktivita

V přírodě existuje asi 50 přirozených radionuklidů s různými poločasy rozpadu. Některé z nich: tritium (poločas rozpadu 12,3 roku; zářič b^–), uhlík (5730 let; b^–), radon (3,8 dne; a), uran (7,1 × 10⁸ let; a), uran (4,5 × 10⁹ roku; a), polonium (138 dní; b^–) a radium (1620 let; a).

Uran 238 (radiová řada), thorium 232 (thoriová řada) a uran 235 (aktiniová řada) jsou výchozí radionuklidy přirozených přeměnových řad, které končí stabilním izotopem olova. Neptuniová řada začíná neptuniem 237 a končí bismutem. Většina přirozeně radioaktivních prvků má protonové číslo větší než 81.

Jaderné reakce

Jaderné reakce jsou přeměny jader atomů vyvolané vnějším zásahem.

Vyvolané:

            a) neutrony:      n → g

                                   n → p

                                   n → a

                                   n → 2n

b) protony:       p → g

                        p → n

                        p → a

c) deuterony:    d → n (získávání neutronů)

d) heliony:        a → p

                        a → n (objev neutronu) 

e) fotojaderné (vyvolané zářením g) při malé energii :

Při těchto reakcích musí být splněn zákon zachování energie, hybnosti, elektrického náboje a zákon zachování počtu nukleonů. Tyto reakce mohou být endoenergetické (energii musíme dodávat) nebo exoenergetické (energie se uvolňuje).

První umělou jadernou reakci (první umělou transmutaci) uskutečnil E. Rutherford:

Jaderná syntéza (fúze) – složením dvou lehčích jader vznikne jádro těžší a uvolňuje se energie^.        

                                     

Deuterium  (D), je jako jaderné palivo prakticky nevyčerpatelné – koncentrace D₂O v oceánech je 0,015 %.

Problémem jaderných syntéz je přiblížit kladně nabitá jádra na dosah jaderných sil, čemuž brání elektronové obaly a odpudivé síly mezi jádry. Potřebnou energii mohou jádra získat zahřátím na teploty vyšší než 10⁶ K. Takto probíhá reakce při výbuchu vodíkové bomby a uvnitř hvězd.

Řízená termonukleární reakce je ve stadiu výzkumů.

Štěpení těžkých jader neutrony

Neutron nemá náboj, proto snadno projde k jádru a vyvolá štěpnou reakci.

        

Reakcemi se uvolňuje kolem 200 MeV energie. Uvolněné neutrony po zpomalení štěpí další jádra a může nastat řetězová reakce. K zahájení reakce je potřeba tzv. kritické množství  štěpného materiálu. Pro uran 235 to je asi 44,5 kg.

Řetězovou reakci je možno uskutečnit jen s uranem 235 a 233 a s plutoniem 239 a 241. V přírodní směsi uranu 235 a uranu 238 obvykle bývá kolem 0,72 % uranu 235. je to málo, proto se uran obohacuje na vyšší koncentraci uranu 235. Další štěpné materiály se vyrábějí ozařováním neutrony v jaderných reaktorech.

Jaderný reaktor

Pro řízenou řetězovou reakci je nutné zachovávat jen určitý počet účinných (schopných štěpit) neutronů. Tento počet – multiplikační faktor:

< 1 → reakce vyhasíná

> 1 → reakce se vymyká kontrole, dochází k jaderné havárii nebo výbuchu jaderné nálože

» 1 → reakce se udržuje na stejné míře, ani se nezrychluje ani neuhasíná Þ využití v reaktorech

Reaktor – válcová ocelová nádoba – ↕ 9 – 11 m, ↔ 3 – 6 m; zabetonovaná, životnost až 30 let, životnost celé elektrárny až 80 let

Palivové články štěpného materiálu (U nebo jeho oxidy) mají tvar tyčí pokrytých kovovým obalem a jsou ponořeny do chladicího média (H₂O, D₂O, CO₂, He), které odvádí vznikající reakční teplo do tepelného výměníku, ve kterém se teplo předává vodě sekundárního okruhu. Vznikající párou jsou poháněny turbíny turbogenerátorů.

Moderátor slouží k zpomalování neutronů. Nejčastěji se používá voda, těžká voda nebo grafit. Aktivní zóna reaktoru je obklopena reflektorem, který odráží neutrony zpět do aktivní zóny, a stínící vrstvou. K řízení výkonu reaktoru slouží regulační tyče z materiálu pohlcujícího neutrony (bor B, kadmium Cd). Ze stejného materiálu jsou i havarijní tyče, které se automaticky spouští do aktivní zóny v případě poruchy reaktoru a štěpná reakce se zastaví.

V současných jaderných elektrárnách se jako palivo používá uran 235, jehož přírodní zásoby však nejsou nevyčerpatelné.

Množivé reaktory – produkují energii i další palivo (např. mění uran 238 na plutonium)

Termojaderný reaktor – využití tepla, které se uvolňuje při jaderné fúzi (dalo by se jí získat asi 3x více energie ze stejného množství paliva než ve štěpném reaktoru. Palivo (izotopy vodíku) je snadno dostupné.

Atomová bomba

– USA – první testy – červenec 1945, vodíková bomba – 1952

– SSSR – první testy – 1949, vodíková bomba – 1953

Jiné využití radionuklidů

– zeslabením intenzity záření b nebo g při průchodu látkou lze určit tloušťku tělesa. Takto lze zjišťovat vady materiálu (defektoskopie), opotřebení strojních součástí, stupeň koroze potrubí, tloušťku plechu apod.

– diagnostika v medicíně (funkce štítné žlázy, ledvin), léčba zhoubných nádorů, sterilizace lékařských nástrojů

– jaderné baterie (několik wattů) napájí signální zařízení na nepřístupných místech

– metoda značených atomů – radionuklid se chemicky chová stejně jako jeho stabilní izotop Þ sledování průběhu chemických reakcí

– uhlíková metoda určování stáří organických materiálů. Živé organismy obsahují stopy vzdušného uhlíku , který po jejich úmrtí dále pokračuje ve vysílání záření a přeměňuje se na dusík. Stáří lze zjistit porovnáním množství  v archeologických nálezech s jeho množstvím v živých organismech.

Radioaktivní záření má i negativní účinky – poškození kostní dřeně, buněk (nemoc z ozáření)