Referat Fizica Nucleara

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Fizica Nucleara si de asemenea puteti face Download Referat Fizica nucleara

Citeste fragmente din Referat Fizica Nucleara

Cuprins 1. Nucleului atomic Constituenţii nucleului atomic Masa nucleului Energia de legatura Defect de masa 2. Forţe nucleare si modele nucleare Modelul picaturii Modelul paturilor nucleare 3. Reacţii nucleare Fuziunea nucleară Fuziune 4. Dezintegrarea radioactiva Dezintegrarea „alfa Dezintegrarea „gama” Legea dezintegrării radioactive 1. Nucleului atomic În urma experimentelor s-a stabilit că masa atomului şi toată sarcina pozitivă este concentrată într-un volum mic in centrul atomului, zonă numită nucleu atomic. În jurul nucleului gravitează un număr de electroni care compensează sarcina pozitivă a nucleului. La sfârşitul secolului trecut a fost descoperită radioactivitatea. Emisia din atomi a unor particule încărcate şi neutre din punct de vedere electric, cum ar fi radiaţiile: alfa, beta, gama, s-a constat că ar fi emise din nucleu. Acest lucru a dus la concluzia că nucleul ar avea şi el o structură. După descoperirea neutronului de către Chadwick în 1932, Heisenberg şi Ivanenko au elaborat în 1933 modelul protono-neutronic al nucleului. Conform acestui model, nucleul este alcătuit din protoni şi neutroni. Un nucleu este format din Z protoni şi A-Z neutroni. Acest model este în concordanţă cu rezultatele experimentale referitoare la sarcina, masa şi spinul nuclear. În funcţie de numărul de protoni şi neutroni nucleele au fost împărţite în: Izomeri acelaşi Z, acelaşi A, dar au timpul de viaţă diferit, ceea ce înseamnă că izomerii constituie acelaşi mediu în diverse stări de excitare. Trecerea dintr-o stare în alta se face prin emisia unui foton de la unul la altul. . . Determinarea sarcinii nucleului înseamnă determinarea numărului de ordine Z. Constituientii nucleului atomic In compozitia nucleului intra Z protoni. -masa protonului: mp=(1,007276470±0,00000011)u deci masa protonului este aproape egala cu 1u -masa neutronului: mn=(1,008665±0,000003)u aproximativ 1u nucleul este format din Z protoni si (A-Z) neutroni -numarul de masa A este egal cu numarul de protoni si de neutroni din nucleu si indica aproximativ masa sa -nucleonii sunt constituentii nucleului. Masa nucleului şi se exprimă în unităţi de masă.1u=m(12C)/12. Unitatea de masă are valoarea u=1,66 10-27Kg. s-a constatat că masa determinată experimental este mai mică decât cea determinată teoretic. este numit defect de masă. s-a interpretat ca fiind corespunzător unui defect de energie pe baza relaţiei lui Einstein: Un nucleu constituie un sistem legat de particule şi pentru a scoate o particulă din acest sistem este necesar să furnizăm nucleului o anumită cantitate de energie egală cu energia cu energia de legătură a particulei în nucleu. Acest defect de energie s-a interpretat ca fiind energia pe care o eliberează nucleele la formarea lui din nucleoni liberi şi care este strict egală cu energia pe care trebuie să o furnizăm nucleului pentru al desface în nucleonii componenţi, această energie este energia de legătură a nucleului. Dacă energia de legătură este mare, nucleul este mai stabil, diferenţa dintre suma maselor nucleonilor componenţi şi masa nucleului este mai mică. Fig. 1. Variaţia stabilităţii nucleului în funcţie de numărul de masă =8.6 MeV. Nucleele de la mijlocul sistemului periodic se caracterizează prin stabilitate mare, iar cele uşoare şi mai grele au stabilitatea mai mică. Raportul dintre numărul de protoni şi numărul de neutroni din nucleu este o măsură a stabilităţii nucleului. Dacă reprezentăm grafic poziţia nucleelor într-un sistem de coordonate Z şi N=(A-Z) se constată următoarele: Fig.2.DiagramaSegréé. a) surplus de protoni, b) surplus de neutroni c)curba de stabilitate, Z=N. Pentru nucleele uşoare stabilitatea se realizează la Z/N = 1. Pe măsură ce numărul de masă creşte stabilitatea se deplasează spre nuclee cu număr de neutroni mai mare decât numărul de protoni. active(emisie de electroni). Raza nucleului atomic reprezintă distanţa până la care se fac simţite forţele nucleare specifice, acele forţe care asigură stabilitatea unui nucleu format dintr-un număr mare de protoni intre care se exercită forţe de repulsie coulombiană. Momente cinetice şi momente magnetice ale nucleului. Existenta acestor momente a rezultat din despicarea liniilor de structura fina a spectrelor, numita structura hiperfina. Astfel spinul nuclear este: magnetonul nuclear. Energia de lagatura pe nucleon Energia de legatura pe nucleoni: O valoare mare a energiei de legatura pe nucleon inseamna o stabilitate mare a nucleului. Nucleele de masa intermediare, cu A cuprins intre 40 si 140 au energia de legatura pe nucleon maxima 2. Forţe nucleare si modele nucleare PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=$^{-12}$" cm nu se mai aplica riguros legea lui Colomb, intrucat peste fortele de repulsie se suprapun fortele de atractie. Cu acelesi rezultate s-au soldat si experientele de difuzie a protonilor si neutronilor rapizi. La distante mici apar forte atractive chiar si intre protoni. Fortele atractive dintre nucleoni care asigura coeziunea nucleului se numesc forte nucleare. Ele sunt forte de bataie scurta, se anuleaza foarte repede cu distanta, spre deosebire de fortele coulombiene care se resimt inca la distante considerabile (forte de bataie lunga). In consecinta fortele de atractie nucleare vor actiona numai intre nucleonii vecini, iar fortele de repulsie electrostatice intre toti protonii din nucleu. In campul electrostatic al nucleului protonul poseda energia potentiala. PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=MATH" PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=$E_{p}$" in functie de distanta r, se capata o hiperbola echilaterala. Daca se tine cont si de fortele atractive, in apropierea nucleului energia potentiala totala nu va creste la infinit, ci numai pana la maxim, atins atunci cand fortele atractive echilibreaza pe cele repulsive. Fie R distanta la care acest lucru se realizeaza. La distantele r PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=$_{m} $" . Presupunand ca distanta R masoara raza nucleului si ca legea lui Coulomb s-ar aplica pana la varful barierei, se poate evalua inaltimea barierei punand r=R in relatia. PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=$alpha $" din nucleu ar "sapa un tunel" prin bariera de potential si energia sa ar corespunde numai inaltimii la care a fost sapat acest tunel. Fenomenul a capatat denumirea de efect de tunel si a fost explicat doar de mecanica cuantica. Modelul picaturii Ca si in cazul atomului, vom cauta acum sa vedem cum este construit nucleul, cunoscand componentii si fortele ce sunt in joc. In interiorul nucleului, fortele nucleare sunt cele predominante si deci ele vor determina in prima aproximatie nodul de aranjare a nucleonilor in nucleu. Fiind forte de distanta scurta de actiune, fortele nucleare vor actiona practic numai asupra primilor vecini, pe cand fortele electrostatice vor actiona asupra totalitatii protonilor din nucleu. Aceste deosebiri vor conduce la o crestere mai rapida a numarului de neutroni decat de protoni pentru nucleele stabilite. Cu alte cuvinte neutronii joaca un rol de „ciment” in edificiul nuclear. Din cauza fortelor nucleare puternice, de atractie, particulele din nucleu sunt strans unite, astfel incat formeaza un sistem compact. Se poate spune de asemenea ca nucleonii de la periferia nucleului vor fi sub actiunea unor forte indreptate spre centrul nucleului asemanatoare fortelor de tensiune superficiala. Toate aceste observatii ne permit sa aproximam nucleul cu o picatura de lichid, in care fiecare particula la volumul total nuclear cu volumul sau propriu, care este aproximativ constant (vo). In acest caz putem scrie: voA = 4R³/3, de unde: R = ro(A) ³, cu ro = 1.5∙10 ³ cm, asta relatie, putem calcula densitatea „materiei nucleare” care este: 1.672∙10 ² A ρ = M/V =---------------- ≈ 10¹ kg/m³. 4π/3∙ ro³ A Rezulta de aici o valoare enorm de mare pentru densitatea „materiei nucleare”, cat si faptul ca densitatea nu depinde de tipul nucleului. Toate aceste concluzii, concordante cu experienta, ca si altele pe care nu le vom discuta, fac din modelul picaturii un ajutor pretios in intelegerea fenomenelor nucleare. Modelul paturilor nucleare Asemanator cu periodicitatea proprietatilor fizico-chimice ale elementelor, si in cazul nucleelor au fost descoperite unele proprietati de periodicitate. Se constata astfel, ca nucleele cu un numar de 2,8,20,50,82,126,..... protoni, au o energie de legatura mai mare ca celelalte nuclee si deci sunt mai stabile. Aceasta observatie, ca si multe altele, nu pot fi explicate prin modelul picaturii. Periodicitatea unor proprietati nucleare, functie de numarul de protoni sau de neuroni, indica existenta in interiorul nucleului a unor paturi nucleare. Din cauza impachetarii stranse a nucleonilor, existenta acestor paturi nu mai este legata si de o grupare spatiala corespunzatoare a nucleonilor. Pe baza acestui model de paturi, se pot determina starile de energie ale nucleonilor din nucleu, care se dovedesc a fi cuantificate. Modelul paturilor nucleare pune in evidenta astfel caracterul individual al miscarii particulelor in nucleu, spre deosebire de modelul picaturii care scoate in evidenta comportarea colectiva a nucleonilor in nucleu. Pe langa aceste doua modele nucleare, au mai fost dezvoltate si alte modele mai mult sau mai putin complete. Dintre toate, cel care in momentul de fata pare a descrie cel mai bine comportarea nucleonilor in nucleu, ca si proprietatile nucleelor, este modelul generalizat, care reuneste atat caracterul colectiv al miscarii nucleonilor, dat de modelul picaturii, cat si aspectele individuale ale miscarii lor, descrise in cadrul modelului paturilor nucleare. 3. Reactii nucleare Reactia nucleara este procesul prin care doua particule sau sisteme de particule interactioneaza prin forte nucleare si ansamblul se desface in mai multe particule sau sisteme de particule - produsii de reactie sunt particulele sau nucleele din starea finala - reactia nucleara: a+X->Y+b unde a: particula sau nucleul proiectil care este de obicei accelerat pentru a produce reactia X:nucleul tinta Y:nucleul rezidual b:particula sau nucleul mai usor rezultat din reactie Notatia prescurtata: X(a,b)Y - o reactie nucleara se poate produce numai daca sunt indeplinite o serie de conditii Legi de conservare in interactiunile nucleare Legea conservarii energiei Energia sistemelor va fi energia totala relativista: W=mc2=m0c2+Ec Legea conservarii energiei totale relativiste: Wa+Wx=Wy+Wb Deci: Energia de reactie: Legea conservarii impulsului Legea conservarii sarcinii electrice Suma sarcinilor electrice ale particulelor inainte de reactie este egala cu suma sarcinilor electrice ale particulelor dupa reactie Legea conservarii numarului de nucleoni Legea dezintegrarii radioactive N(t) - numarul de sisteme in stare excitata la momentul t N0 - numarul de sisteme in stare excitata la momentul initial t=0 Viata medie a sistemului t = 1/P – inversul probabilitatii de tranzitie in unitatea de timp Timpul de injumatatire T1/2 - timpul dupa care se dezintegreaza jumatate din numarul N0 de nuclee in stare metastabila Fuziune si fisiune nucleara Fuziunea nucleară a fost realizată pentru prima dată prin anii 1930 prin bombardarea unei ţinte contţinând deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni într-un ciclotron. Pentru a ccelera raza de deuteroni este necesară folosirea unei imense cantităţi de energie, marea majoritate transformându-se în căldură. Din această cauză fuziunea nu este o cale eficientă de a produce energie. În anii 1950 prima demonstraţie la scară largă a eliberării unei cantităţi mari de energie în urma fiziunii, necontrolată a fost făcută cu ajutorul armelor termonucleare în SUA, URSS, Marea Britanie şi Franţa. Această experienţă a fost foarte scurtă şi nu aputut fi folosită la producerea de energie electrică. În cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcină electrică poate interacţiona uşor cu nucleul, în cazul fuziunii, nucleele au amândouă sarcină pozitivă şi în mod natural nu pot interacţiona pentru că se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face când temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane ° C. Într-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu şi tritiu la aşa temperaturi are loc fuziunea nucleară, eliberându-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune. Energia apare la început ca energie cinetică a lui heliu 4, dar este transformată repede în căldură. Dacă densitatea de gaz este sufucientă, la aceste temperaturi trebuie să fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferată gazului de hidrogen, menţinându-se temperatura înaltă şi realizându-se o reacţie în lanţ. ਀&䘋 j 摧⦻˜ᤀfuziunii nucleare este căldura gazului şi existenţa unei cantităţi suficiente de nuclee pentru un timp îndelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a încălzi gazul. O altă problemă este captarea energiei şi convertirea în energie electrică. La o temperatură de 100.000 ° C toţi atomii de hidrogen sunt ionizaţi, gazul fiind compus din nuclee încărcate pozitiv şi electroni liberi încărcaţi negativ, stare numită plasmă. Plasma caldă pentru fuziune nu se poate obţine din materiale obişnuite. Plasma s-ar răci foarte repede, şi pereţii vasului ar fi distruşi de căldură. Dar plasma poate fi controlată cu ajotorul magneţiilor urmând liniile de câmp magnetic stând departe de pereţi. În 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, în timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui. O altă cale posibilă de urmat este de a produce fiziune din deuteriu şi tritiu pus într-o sferă mică de sticlă care să fie bombardată din mai multe locuri cu ul laser pulsând sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticlă, păroducăndu-se o reacţie termonucleară care aprinde carburantul. Progresul în fuziunea nucleară este promiţător dar înfăptuirea de sisteme practice de creare stabile de reactie de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scumpă. Totuşi unele progrese sau obţinut în 1991 când o cantitate importantă de energie (1,7 milioane W) a fost produsă cu ajutorul reacţie de fuziune controlată în Laboratoarele JET din Finlanda. În 1993 cercetătorii de la Universitatea din Princeton au obţinut 5.6 milioane W. În ambele cazuri s-a consumat mai multă energie decât s-a creat. Dacă reacţia de feziune devine practică oferă o serie de avantaje: o sursă de deuteriu aproape infinită din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantităţii mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai puţin radioactive şi mai simplu de manipulat. 4.Dezintegrarea radioactiva Radioactivitatea este o proprietate a nucleelor atomice de a se dezintegra spontan prin emisia unor radiaţii alfa şi gama. Legea dezintegrarii radioactive Probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu în unitatea de timp este λ si se numeste constanta de dezintegrare. Unitatea de măsură în S.I este s-1 , N 0 este numărul de nuclizi radioactivi din eşantion la momentul t = 0, N(t) este numărul de nuclizi radioactivi care au rămas nedezintegraţi după timpul t. fiind numărul de nuclizi care se dezintegrează în unitatea de timp. reprezintă probabilitatea ca ce cele n nuclee să se dezintegreze în unitatea de timp. În laborator o sursă S de radioactivitate Λ şi cu ajutorul unui detector de radiaţii care înregistrează numărul de radiaţii ce intră în detector în unitatea de timp, exprimând viteza de numărare R. Exemplu: fie sursa de cobalt 60. Nichelul nu trece direct în starea fundamentală datorită regulilor de selecţie, trece într-o stare mai puţin excitată după care în starea fundamentală prin dezintegrări gama. Fig. 5. Schema dezintegrării sursei de cobalt Între R şi numărul de nuclee din sursă dezintegrate în unitatea de timp există relaţia: R=(G ε s) Λ, s factor de schemă, G factor geometric. Putem scrie legea de dezintegrare şi pentru viteza de numărare: Metodele de măsurare a activităţii unei surse radioactive sunt de două feluri: absolute şi relative. Metodele absolute prezintă metoda geometrică şi metoda coincidenţelor. Metoda geometrică presupune o sursă cu o activitate pe care trebuie să o măsurăm situată la o distanţă faţă de detector şi determinăm viteza de numărare a detectorului. Trebuie să cunoaştem tipul de radionuclid şi modul de dezintegrare pentru a şti factorul de schemă s. Cunoscând tipul de radiaţie emisă şi tipul de detector se poate lua din tabele valoarea lui ε. (Bq) Unitatea de măsură a activităţii sursei în S.I. este Becquerel (1Bq = descărcare /secundă). Bq reprezintă activitatea unui gram de radiu. Metoda se numeşte geometrică deoarece trebuie evaluat dΩ. Metoda relativă presupune existenţa unei surse etalon a cărui activitate Λ este cunoscută şi vrem să exprimăm activitatea unei surse Λx în funcţie de activitatea sursei etalon Λe. Se face o măsurătoare cu sursa etalon şi una cu cea cu activitate necunoscută în aceleaşi condiţii geometrice şi cu acelaşi detector. deoarece avem aceleaşi condiţii geometrice, acelaşi tip de sursă şi acelaşi detector. În aceste condiţii avem . Mărimi caracteristice: . Fig. 6. Graficul dezintegrării radioactive Logaritmăm şi obţinem: ln R = ln R0 -λt Fig. 7. Panta dreptei din figura 7. Reprezintă valoarea constantei de dezintegrare. 2. Timpul de înjumătăţire T reprezintă intervalul de timp după care numărul de nuclee rămase nedezintegrate în sursă se reduce la jumătate. Dacă cunoaştem λ putem determina timpul de înjumătăţire. Pentru nuclizii care au timpul de înjumătăţire relativ mic (de ordinul orelor, zilelor) acesta poate fi determinat direct prin variaţia vitezei de numărare în timp. 3. Timpul mediu de viaţă τ viaţa medie a nuclizilor din sursa radioactivă. Se defineşte ca o medie statistică: . Activitatea specifică este utilă pentru a prepara surse de activitate dată dintr-o sursă mai mare de substanţă radioactivă. Radiatia alfa . Majoritatea nuclizilor radioactivi naturali emit radiaţii alfa. În urma unei dezintegrării alfa, nuclidul derivat este situat în tabelul lui Mendeleev cu două căsuţe la stânga nuclidului generator: Radiatia gama Aceste radiaţii nu sunt influenţate de câmpul electric sau magnetic. Ele sunt de natură electromagnetică şi pot suferi fenomene de reflexie refracţie, difracţie şi interferenţă. Radiaţiile gama însoţesc dezintegrările alfa atunci cand nucleul derivat, aflat într-o stare excitată, revine la starea fundamentală prin emisie de fotoni gama. Prin emitere de radiaţii nucleul îşi schimbă alcătuirea. Avem de a face cu transformarea spontană a unei specii nucleare în alta, o transmutaţie nucleara. PAGE PAGE 1 4He 16O 40Co 60Ni 8.6MeV 7.6MeV A b a N Z c Co Ni γ R R0 t lnR lnR0 t 쥁@