Nuklearna fizika

od medena 2010-10-24, 19:31

Nuklearna fizika istražuje strukturu, svojstva, uzajamna djelovanja i transformacije atomskih jezgara i njihovih sastavnih dijelova. Nuklerna fizika odgovara na pitanja kao što su:
- Koje vrste interakcija karakterišu elementarne čestice?
- Kakve transformacije jezgra su moguće?
- Koji procesi u okviru nuklearne fizike mogu biti iskorišteni u praktične svrhe?

Radioaktivnost

1896. Henri Bekerel (Henri Becquerel), francuski fizičar, je radio na jedinjenjima koja sadrže element uranijum. Na njegovo iznenađenje, otkrio je da na fotografskoj ploči, koja treba da štiti od svjetlosti, ostaju neki magloviti tragovi, kada se ova uranijumova jedinjenja nalaze u blizini ploče, čak i kad je ona uvijena u crnu hartiju. Ovo zamagljenje su nagovještavala da neka vrsta zračenja prolazi kroz ploču. Nekoliko materijala različitih od uranijuma su, takođe, emitovali ove prodorne zrake. Materijali koji emituju ovu vrstu radiacije su označeni kao radioaktvini i prolaze kroz fazu koja se zove radioaktivno raspadanje.
1899. Ernest Ruterford (Ernest Rutherford) je otkrio da uranijumova jedinjenja proizvode tri različite vrste radiacije. Odvojio je radiacije prema njihovim prodornim sposobnostima i nazvao ih prema prva tri slova grčkog alfabeta, alfa, beta i gama radijacija. a -zračennje se može zaustaviti listom paira. Ruterford je kasnije pokazao da je alfa -čestica, u stvari, jezgro atoma helijuma, ⁴He. Beta -čestice su kasnije identifikovane kao elektroni velikih brzina. Šest milimetara aluminijuma je potrebno da bi se zaustavila većina beta -čestica. Nekoliko milimetara olova je potrebno da bi se zaustavili gama -zraci, za koje je utvrđeno da su to fotoni, velike energije. Alfa -čestice i gama -zraci se emituju sa specifičnom energijom koja zavisi od radioaktivnosti izotopa. Beta -čestice, međutim, se emituju zajedno sa neprekidnom energijom, od 0 do maksimalne, koju odovbrava određeni izotop.

Alfa-raspad

Ispuštanje alfa-čestica, ili jezgra ⁴He, je proces koji se naziva alfa-raspad. S obzirom da alfa-čestice sadrže protone i neutrone, oni sigurno dolaze od jezgra nekog atoma. Jezgro koje nastaje pri alfa-raspadu će imati drugačiju masu i naelektrisanje od originalnog jezgra. Promjena naelekrtisanja jezgra znači da je element promijenjen u neki drugi element. Maseni broj A nastalog jezgra se smanjuje za četiri, a redni broj za dva u odnosu na početno jezgro. Zbog toga što je maseni broj ⁴He dva, broj protona u nastalom jezgru se smanji za dva u odnosu na početno jezgro:

Brzine kojima alfa-čestice izlijeću iz jezgra mogu da budu veoma velike (I do 10⁷ m/s) a kinetička energija reda veličine nekoliko MeV (mega elektron volti). ProlazećI kroz supstancu, alfa-čestica postepeno gubi energiju dok se na kraju ne zaustavi. Što je veća gustina supstance, to je manji domet alfa-čestica. Domet ove čestice zavisi i od njene početne brzine.

Beta-raspad

Beta-čestice su negativno naelektrisani elektroni koje emituje jezgro. Kako je masa elektrona samo mali dio atomske mase, masa jezgra koje prolazi kroz beta-raspad se samo malo promijeni. Praktično, maseni broj ostaje nepromijenjen. Jezgro ne sadržI elektrone. U stvari, beta-raspad nastaje onda kada se neutron mijenja u proton u okviru jezgra. Svaki beta-rapad prati nevidljivi neutrino. Tada se broj protona, a time i atomski broj mijenja za jedan. Na primjer, ugljenikov izotop ¹⁴C je nestabilan i emituje beta-čestice , pri čemu nastaje stabilni azotov izotop ¹⁴N:

U stabilnom jezgru, neutron se ne raspada. Slobodni neutron se može raspasti, emitovanjem alfa- i beta-čestica. Dijeleći energiju sa beta-česticama nastaje neutrino. Neutrino je čestica koja postoji samo u kretanju i kreće se brzinom svjetlosti. Neutrino ima malu ili uopšte nema mase, kao ni naelektrisanja, ali, kao i proton, nosi impuls i energiju. Izvor energije koja se oslobodi u toku beta-raspada se objašnjava činjenicom da je masa početnog izotopa veća od sabranih masa produkata raspada. Masa se konvertuje u energiju baš kao što je Ajnštajn (Einstein) predvidio.

Gama-zračenje

Gama-zračenje obično prati alfa- i beta-zračenje. Gama zraci su vrsta elektromagnetnog zračenja koje rezultuje iz preraspodjele naelektrisanja u samom jezgru. Gama-zrak je foton velike energije. Jedina stvar po kojoj se gama-zrak razlikuje of vidljivog fotona, emitovanog iz sijalice, je njegova talasna dužina; talasna dužina gama-zraka je mnogo kraća. Za kompleksna jezgra postoji mnogo načina na koje protoni i neutroni mogu biti postavljeni u samom jezgru.

Gama-zraci se mogu emitovati kada nukleus prolazi kroz promjenu iz jednog oblika u drugi. Na primjer, ovo se može desiti kada oblik jezgra pretrpi promjenu. Kada nukleus emituje gama-zrake ne mijenja se ni atomski ni maseni broj:

^{152Dy^* ® ¹⁵²Dy + c}

izvor

od medena 2010-10-24, 19:35

Detekcija radioaktivnog zračenja

Radioaktivno zračenje može se indirektno registrovati pomoću posebnih uređaja - detektora. Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz raazne supstance dolazi do raznih procesa na čijim se efektima zasniva rad detektora. Postoje razne vrste detektora od kojih su najpoznatiji jonizaciona komora, Gajger-Milerov brojač, Vilsonova komora I scintilacioni brojač.

Jonizaciona komora

Jonizaciona komora se sastoji iz posebnog suda u kojem se nalaze dve elektrode uključene na visok napon. U sudu se nalazi neki, obično, plemeniti gas. Radioaktivno zračenje koje dospjeva u aktivnu zapreminu komore, jonizuje gas, pri čemu se obrazuju joni oba znaka (teški pozitivni joni I laki negativni joni, odnosno elektroni).

Pod uticajem jakog električnog polja joni se skupljaju na elektrodama. To uslovljava pojavu električne struje kroz gasnu sredinu koja se poslije pojačavanja registruje mjernim instrumentom.

Pomoću jonizacione komore mogu se registrovati alfa- I beta- čestice, dok je za gama-zrake ovo suviše prozračan detektor.

Gajger-Milerov brojač

Rad Gajger-Milerovog brojača je zasnovan na jonizacionim efektima. On je veoma pogodan za upotrebu I relativno je jeftin. Staklen, iznutra posrebren, ili metalni sud cilindričnog oblika ispunjen je nekim plemenitim gasom pod sniženim pritiskom. Katoda je cilindričnog oblika, a anoda je tanka žica postavljena duž cilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmjerne struje, visokog napona, koji obrazuje jako električno polje.

Pri prolasku radioaktivnog zračenja, gas u brojaču se jonizuje. Joni dolaze do elektroda (elektroni na anodu, a pozitivni joni na katodu). Time se strujno kolo u brojaču zatvara I pojavljuje se naponski impuls. Uređajem za brojenje impulsa (skaler) se broje naponski impulsi nastali u određenom intervalu vremena. Na osnovu toga dobija se informacija o intenzitetu zračenja.Pomoću Gajger-Milerovog brojača detektuju se alfa- I beta-čestice.

Vilsonova komora

Engleski fizičar Vilson (Wilson) prvi je 1912. godine konstruisao ovaj uređaj. Aktivna sredina komore je zasićena para, najčešće vode, helijuma, azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare, pri čemu se temperatura pare snižava I ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost. Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice, obrazuju se hiljade pari jona, koji postaju centri kondenzovanja pare. Na taj način se formiraju kapljice tečnosti, koje obrazuju tragove koji su vidljivi golim okom. Na isti način nastaje I vidljivi trag pare iza aviona na velikim visinama, samošto su, u tom slučaju, čestice prašine dovode do stvaranja pare.

Scintilacioni brojač

Rad ovog detektora je zasnovan na svojstvu supstance da pod uticajem radioaktivnog zračenja emituje sintilaciju (svjetlucanje) malog intenziteta. Pri prolasku kroz supstancu, naelektrisane čestice uzrokuju jonizaciju I prelazak atoma u normalno (osnovno) stanje, pri čemu atomi ispuštaju vidljivu svjetlost u obliku svjetlucanja. Svjetlosni signali se zatim pretvaraju u električne impulse. Na osnovu broja i amplitude tih impulsa određuju se intenzitet i energija radiaktivnih čestica.

Pomoću scintilacionog brojača registruju se brzi elektroni i gama-fotoni.

izvor

od medena 2010-10-24, 19:36

Nuklearni reaktori

Nuklearna reakcija je, nažalost, prvo iskorištena za dobijanje nuklearnog oružja. Tek 1955. godine u Ženevi je odžana prva međunarodna konferencija za miroljubivo korištenje nuklearne enrgije. Narednih godina uloženi su posebni napori za razvoj nuklearnih reaktora. Nukearni reaktori su posebni uređaji u kojima se odvijaju kontrolisane nuklearne reakcije.

Kao gorivo, u nukleanim reaktorima se koriste uranijumovi izotopi, plutonijum, a ponekad i torijum. Dio energije oslobođene u reakciji, ispoljava se u vidu toplote, koja se može odvoditi iz nuklearnog reaktora i iskoristiti za pokretanje raznih toplotnih mašina (npr. parnih turbina).

Osnovni dijelovi svakog reaktora su: nuklerno gorivo, moderator (usporivač), upravljačke šipke, reflektor, sistem za hlađenje i zaštitni sistem.

Nuklerni reaktori mogu biti homogeni i heterogeni. U homogenim reaktorima nuklearno gorivo se nalazi u obliku rastvora ili praha, a u heterogenim reaktorima u obliku posebnih poluga (šipki).

Pomoću moderatora smanjuje se energija neutrona koji nastaju u fisionom procesu. Time se povećava njihova efikasnost u izazivanju fisije. Kao usporivač se primjenjuje grafit, deuterijum (u vidu teške vode), jedinjenja berilijuma itd.

Reflektori neutrona imaju ulogu da vraćaju neutrone, koji su napustili aktivnu zonu reaktorskog jezgra, tako da oni mogu i dalje uzrokovati fisione procese.

Pomoću upravljačkih šipki kontroliše se režim rada reaktora i sprječava pregrijavanje reaktora, usljed velike količine toplotne energije oslobođene u toku procesa. Najčešće se koriste šipke napravljene od bora ili kadmijuma.

Kao sistem za hlađenje mogu se koristiti obična ili teška voda ili druge supstance, koje imaju veliki toplotni kapacitet. Sistem za hlađenje se postavlja oko jezgra (aktivne zone) nuklearnog reaktora.

Prilikom fisije u nuklearnim reaktorima dolazi do oslobađanja gama-zračenja pa je potrebna zaštita. Kao zaštita se obično koristi specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode. Debljina tih zaštitnih slojeva je takva da u okolinu reaktora ne propušta zračenje koje bi moglo ugroziti ljude oko reaktora. Jedna od najefikasnijih mjera je automatizacija I robotizacija rada reaktora.

Nuklarna energija, u mirnodopske svrhe, prvi put je bila primjenjena 1954. godine u SSSR-u. Tada je puštena u eksploataciju prva nuklearna elektrana čija je snaga iznosila svega oko 500 kW.

izvor

od Sponsored content

Nuklearna fizika

Nuklearna fizika

Re: Nuklearna fizika

Re: Nuklearna fizika

Re: Nuklearna fizika