Физика у Бранку

Занимљиви материјали за ученике и професоре

Елементи атомске и нуклеарне физике – осми разред

Структура атома

Атом се састоји из језгра и електронског омотача

structure

Атомско језгро се састоји од позитивно наелектрисаних протона и неутралних неутрона приближно истих   маса, а око 1800 пута веће масе од негативно наелектрисаних електрона из омотача.

struktura_atoma

У унутрашњости атома делују привлачне силе које одржавају стабилност атома.

У природи постоје атоми са бројем електрона од 1 до 95 (вештачки створени до 109 – мајтнеријум).

Водоник                               H             1p                        1eH

Хелијум                                He           – 2p+2n                 2eHe

Литијум                                Li            3p+4n                 3eLi

Кисеоник                              O            8p+8n                 8eO

Уран                                      U             92p+146n          92eb0092

Број протона једнак је броју eлектрона па је сваки атом  електронеутралан.

Али у природи није све тако једноставно. Постоје процеси у којима долази до одвајања једног или више електрона од неутралног атома, тако да настају слободни електрони и позитивни јони (катјони). У Процесима у којима слободни електрони могу да уђу у састав електронског омотача атома настају негативни јони (анјони). Aтом и јон имају исти број протона и неутрона у језгру.

Број протона у језгру назива се редни број Z, а укупан број протона и неутрона (нуклеона) масени број А.

Ознака за атоме (односно њихова језгра) је AZX.

Почетком XX века Ернест Радефорд (енглески научник) на основу експеримената са језгрима хелијума поставља планетарни модел:

rade

  • Пречник језгра много мањи од пречника атома.
  • Језгра имају много већу масу од електрона који се крећу око њега.

Силе у атому

Како постоји атом, односно језгро када се у њему налазе истоимена наелектрисања – протони?

У атомима владају сва четири позната типа сила у природи:

4forces

  • гравитационе – делују између свих честица у атому, али због малих маса честица оне су занемарљиве
  • електромагнетне – делују између протона у језгру и електрона из омотача
  • нуклеарне – јаке које делују између протона и неутрона у језгру, између протона и протона, између неутрона и неутрона. Оне формирају језгро и савладвају силе електростатичког одбијања између протона. Делују на малим растојањима до 1fm=1·10-15m
  • нуклеарне – слабе доводе до трансформација протона и неутрона и распада/трансформације језгра

four_forces

 Радиоактивност

Крајем XIX века Анри Бекерел је утврдио да неки елементи великих масених бројева (при крају Периодног система) емитују извесно зрачење. Појава је названа радиоактивност, а зрачење алфа зрачење. Појава радиоактивности је уочена код 23592U (уран или уранијум (U, латински – uranium) – је актиноид III B групе. Међу елементима који се природно јављају на земљи има највећи атомски број (92), слабо је радиоактиван. Природни уранијум се јавља у облику 2 изотопа (изотопи су атоми хемијског елемента чије језгро има исти атомски број, Z, али различиту атомску масу, A. Реч изотоп, значи на истом месту, и долази од чињенице да се изотопи налазе на истом месту у периодном систему елемената.) 235U (мање од 1%) и 238U (преко 99%)).

uranium-238-235-atoms

Алфа зрачење представља сноп честица које излећу из језгра. Свака алфа честица се састоји од 2 протона и 2 неутрона. То су језгра хелијума – позитивно наелектрисане честице. Потврђено је на следећи начин: руда урана садржи гасовити хелијум који настаје када се алфа честица заустави у руди и захвати 2 електрона из околине и постане атом хелијума.

alpha_decay

Шта се дешава при алфа распаду?

Језгро урана се распада на алфа честицу и језгро торијума. Ослобађа се велика количина енергије (неколико милиона пута већа него при интеракцији атома у хемијским реакцијама) чији већи део односи алфа честица, јер има мању масу и већу брзину. Распад се може приказати следећом реакцијом:

23592U→23190Th+42He

У општем случају за алфа распад важи:

AZX→A-4Z-2Y+42He

При алфа распаду важи Закон одржања количине наелектрисања

92p=90p+2p

и Закон одржања укупног броја нуклеона

235нуклеона=231нукеон+2нуклеона

Поред урана постоје и неки други елементи који имају особину радиоактивности, који емитују негативне честице бета зрачење. Утврђено је да су бета зраци брзи електрони. При бета распаду неутрон, из језгра елемента који се распада, се транформише у протон који остаје у језгру, а излеће електрон (бета честица):

n→p+e

На пример:

6027Co→6028Ni+e

Алфа и бета распад прати гама зрачење. Гама зраци су сличне природе као светлост али краће таласне дужине.

radioakt

При радиоактивном распаду трансформише се једна врста језгара (нестабилна) у друга и ослобађа енергија радиоактивног распада. При сваком распаду један радиоактивни атом прелази у свог потомка, што значи да се временом смањује њихов број и интезитет зрачења извора.

За сваки радиоактивни елемент карактеристичан је период полураспада Т1/2 који одређује брзину распадања језгара у извору зрачења:

T1/2  је време за које се почетни број атома неког радиоактивног елемента смањи на половину.

Пример:

Нека је N0 почетни број језгара. Тада ће после после једног Т1/2 остати половина нераспаднутих језгара, после два Т1/2 четвртина. после три Т1/2 осмина …

half-life

Тако знајући период полураспада угљеника C-14 (5730 година) можемо одредити старост археолошког материјала.

Како настаје C-14? C-14 настаје из азота N-14. Значи, имамо азот 7N14 .

Ово 7 је атомски број, и он дефинише особине атома, и он говори колико има протона у језгру. Број 14 је масени број, и представља број протона и неутрона.

Због бомбардовања протонима из космоса, на површини наше атмосфере долази до избацивања неутрона из језгара азота, кисеоника и аргона. Атоми азота хватају те неутроне и у том поступку атом азота одаје један протон, чиме атомска маса остаје иста, а атомски број се умањи за један. Тако од азота настаје атом угљеника C-14 (6C14), који је радиоактиван. Видимо да C-14 има исту атомску масу као азот, али будући да има 6 протона у језгру, он има особине угљеника. То је изотоп угљеника.

Овај угљеник, као и C-12 (6C12), са кисеоником гради угљен-диоксид CО2. Колика је пропорција радиоактивног угљен-диоксида? 1,5 : 1012. И један и други угљен-диоксид апсорбују биљке, граде органску материју. Органске материје једу животиње. Неке животиње једу друге животиње. (Биљке су примарни продуценти, биљоједи су секундарни, а месоједи терцијарни продуценти.)

И тако свако живо биће у себи садржи радиоактивни угљеник, јер постоји циклус угљеника у природи. Зато је могуће да сви организми на планети Земљи буду укључени у такозвани „часовник угљеника C-14“, који почиње да функционише са смрћу организма, јер тада нема више уношења новог C-14, и тад почиње да откуцава тај часовник.

Шта се онда дешава? Ово језгро је нестабилно (C-14), и оно се дезинтегрише радиоактивним распадом, тако да имамо да се 6C14 претвара опет у азот 7N14 и емитује електон.

Време полураспада C-14 у N-14 је 5730 година. Значи, ако имате 1kg C-14, за 5730 година имаћете 0,5kg. Како ради метода? Рецимо, имамо неки древни објект А, и имамо такозвани „еталон“. Али пазите, мора да буде органско тело. Не можете да мерите стене овим. Мора бити нешто што је настало од биљака. Рецимо, имамо неки папирус. А еталон би била иста количина органске материје која је данас произведена.

Емитовање електрона је бета-зрачење. И измеримо да је код нашег узорка бета-зрачење 5 (на пример), а код еталона је 10. Колико је тај папирус стар? Објекат који смо ми ископали има упола мању емисију бета-зрачења, него иста количина органске материје данас. Значи, да је папирус стар 5730 година. Протекло је толико времена да је дошло до пада на половину, а да би пало на пола потребно је да прође 5730 година.

Нуклеарне реакције ФИСИЈА и ФУЗИЈА

Ако се језгра довољно приближе могу међусобно да делују преко јаких нуклеарних сила и могу да се десе реакције изнмеђу језгра. Као и хемијске реакције, нуклеарне реакције могу бити егзотермне (енергија се ослобађа) или ендотермне (енергија се везује). Две основне групе нуклеарних реакција су: фисија и фузија.

Фисија је нуклеарни процес у коме се тешко језгро раздваја на два мања. Пример фисије искоришћен у изради атомске бомбе и у нуклеарним реакторима приказана је на слици. Фисијом може настати било која комбинација лакших језгара све док важе Закон одржања количине наелектрисања и Закон одржања укупног броја нуклеона. Ослобађа се велика количина енергије – из 1 грама урана добија се енергија око 80 милијарди џула.

Kernspal

fissionФузија је нуклеарни процес у коме се два лака језгра комбинују да би се створило једно, теже језгро. Тешко је остварива јер је потребна велика енергија да би се савладале јаке одбојне силе међу протонима два језгра на блиским растојањима.

Kernfan

deuterium_tritium_fusion_reactionУ природи је фузија честа појава и она је извор енергија већине звезда па и Сунца. Свемир је настао у Биг Бангу реакцији фузије изотопа водоника у хелијум. Фузија се одвија све док се не створи гвожђе редног броја 60.

Нуклеарна енергија

Фисију урана изазивају неутрони који се и ослобађају у њеном процесу, тако да се врло брзо успоставља ланчана реакција која ако је неконтролисана добијамо бомбу, а коју можемо контролисати у нуклеарним реакторима где се регулише проток неутрона па тако и ланчана реакција. Фрагменти загревају воду која прелази у пару која покреће турбине.

student-pwr

 Заштита од нуклеарног зрачења. Нуклеарно загађивање

Радиоактивно зрачење при проласку кроз супстанцу врши јонизацију атома, а настали јони ступају у реакције. У људском организму уништавају се скоро сва ткива нека брже нека спорије (Tbiol је време за које се из организма елиминише половина од унетог радиоактивног елемента). Зато је потребно знати како да се заштитимо.

елемент

симбол

T1/2

Tбиол(дан)

критични орган

водоник

31H

12.6год

19

цело тело

угљеник

146C

5760год

35

масно ткиво

натријум

2411Na

14.8час

29

цело тело

фосфор

3215P

14.3дан

1200

кости

калијум

4019K

1.28·109год

33

мишићи

4219K

46.3дан

33

мишићи

калцијум

4520Ca

152дан

18000

кости

гвожђе

5526Fe

2.94год

65

крв, плућа

5926Fe

4.63дан

65

крв, плућа

стронцијум

9838Sr

27.7год

4000

кости

јод

12555J

60дан

120

штитна жлезда

13153J

8.14дан

120

штитна жлезда

13253J

2.26дан

120

штитна жлезда

злато

19879Au

2.69дан

50

бубрези

радијум

22688Ra

1622год

50000

кости

цезијум

13755Cs

30год

40 – 160

цело тело(мишићи)

рутенијум

103;10644Ru

40дан, 386дан

?

крв

Код рада нуклеарних реактора постоји проблем отпада који мора посебно да буде одложен и заштићен. Има ниску радиоактивност, али нема могућности за практичну примену.

Advertisements

Single Post Navigation

Оставите одговор

Попуните детаље испод или притисните на иконицу да бисте се пријавили:

WordPress.com лого

Коментаришет користећи свој WordPress.com налог. Одјавите се / Промени )

Слика на Твитеру

Коментаришет користећи свој Twitter налог. Одјавите се / Промени )

Фејсбукова фотографија

Коментаришет користећи свој Facebook налог. Одјавите се / Промени )

Google+ photo

Коментаришет користећи свој Google+ налог. Одјавите се / Промени )

Повезивање са %s

%d bloggers like this: