NUKLEARNA

FIZIKA

( Skripte ) Nina Obradović, prof.

1

XAZ NZA

emM 273 cv 0s

OpN 1714 , OpN 178

11

147

CnBe 129 , CnBe 126

10

42

94

1. Jezgra, nuklearna sila, nuklearne reakcije

nukleus = jezgra SIMBOL : A – broj nukleona ( E. Rutherford - pokus sa listićem zlata ) Z – broj protona N – broj neutrona nukleoni : neutron ( n1

0 )

proton ( p11 ) Z izotopi : Z = konst.

spektrograf masa – uređaj za NUKLEARNA KARTA : odijeljivanje različitih izotopa istog elementa vidi sliku desno N NUKLEARNA SILA Hidekki Yukawa,1935.g. – mezonska teorija : nosioci nuklearnog međudjelovanja su ( 1949.g. N.n. ) elementarne čestice imena - mezoni ( ,, 0 ) masa brzina spin Jaku nuklearnu silu prenose tzv. gluoni koji jesu bezmaseni, ali njihov se utjecaj ne može protegnuti do u beskonačnost zbog jednog sasvim drugog mehanizma. Naime, oni osim što su prijenosnici jake sile i sami "osjećaju" tu silu pa se međusobno privlače i to im "skraćuje domet." (Fotoni se npr. ne privlače međusobno.) svojstva nuklearne sile : 1) najjača od 3 temeljna međudjelovanja 2) ima kratki doseg ( fm2 ) 1fm = 10-15m F 1fm – femtometar ( prema fizičaru E. Fermi ) 1fm = 1 fermij

r 3) ne ovisi o naboju 4) veća je ako su spinovi čestica paralelni NUKLEARNE REAKCIJE : svaka promjena stanja jezgre ( primjer : 2 reakcije od povijesnog značenja )

1. 1911.g. – Ernest Rutherford ( 1908.g. N.n. za kemiju ) gdje je oznaka He4

242

jezgra izotopa helija( -čestica)

U nukearnim reakcijama se koriste zakoni očuvanja : 1) naboja 2) broja nukleona 3) energije i mase 2. 1932.g. – James Chadwick otkrio neutron ( 1935.g. N.n .)

2

područje najveće stabilnosti

Energija se oslobađa kad se teška jezgra cijepa u dvije

lakše jegzre - fisija

Energija se oslobađa kad dvije lakše jezgre

formiraju težu jezgru-fuzija

Energija vezanja po nukleonu E'/A (MeV)

2. Energija vezanja jezgre Energija vezanja - je energija koja se oslobodi kada se slobodni nukleoni ( Z protona i N neutrona ) vežu u jezgru

- jednaka je energiji koja je potrebna da se nukleon vezani u jezgru razdvoje i postanu slobodni

MASA određene JEZGRE MANJA JE OD ZBROJA MASA pojedinih NUKLEONA. (osim za Z=1, vodik) TO JE POSLJEDICA EKVIVALENCIJE MASE I ENERGIJE I NAČELA MINIMUMA POTENCIJALNE

ENERGIJE.

),( NZm masa jezgre pm masa protona nm masa neutrona

Razlika masa slobodnih nukleona i mase jezgre je tzv. defekt mase Δm : NZmmNmZm jezgrenp ,

Dakle, formula za izračunavanje mase jezgre je : ENmZmNZm npjezgre ),(

Einsteinova formula 2mcE (ekvivalencija mase i energije) nam za energiju vezanja jezgre daje :

2),( cNZmNmZmE jezgrenp

E MeV, mega elektronvolt 1 MeV = 1,6∙10-13 J

Definira se veličina : AEE

, energija vezanja po jednom nukleonu ( A = Z + N )

Energija vezanja po nukleonu jednaka je prosječnoj enegiji koju treba utrošiti pri oslobađanju jednog ( bilo kojeg ) nukleona iz jezgre. Prosječna energija vezanja po nukleonu iznosi oko 8 MeV. Najstabilnije su one jezgre čija energija vezanja po nukleonu iznosi više od 8,5 MeV ( jezgre čiji je maseni broj A između 40 i 120 ).

Jezgra željeza Fe5626 je najstabilnija jezgra u prirodi, jer ima najveću energiju vezanja ( i najveću

energiju vezanja po nukleonu ).

Energija koja se treba uložiti ili osloboditi tijekom nuklearne reakcije : Nuklearna reakcije je proces interakcije između jezgre i neke elementarne čestice ili druge jezgre u kojem se jezgra transformira, mijenja joj se ili struktura ili samo energija.

),( NZm jezgre < np mNmZ

3

Dodatak, potreban zbog zadataka o energiji vezanja i oslobođenoj ili uloženoj energiji u nuklearnim procesima : 1. za energiju vezanja jezgre

00728,1pm u pm masa protona

00886,1nm u nm masa neutrona unificirana atomska masa 00055,0em u em masa elektrona ( 1/12 mase izotopa C12

6 ) Masu jezgre možemo izračunati ovako :

eatomajezgre mZmm uZumm rjezgre 00055,0 oznaka : jezgrejezgre mNZm ,

Masu atoma izračunat ćemo pomoću formule : umm ratoma

rm relativna atomska masa ( pročita se iz tablice ( 236. str. u žutoj zbirci ) ili je zadana u zadatku )

VAŽNO : rr Am

rA - relativna atomska masa; nalazi se u Periodnom sustavu elemenata ( PSE - jednaka je PROSJEČNOJ relativnoj atomskoj masi, a to znači prosječnoj masi svih izotopa toga atoma (kemijskog elementa) rm - odgovara relativnoj masi pojedinog, točno određenog izotopa toga atoma (kemijskog elementa) Sada možemo pisati :

200055,000866,100728,1 cuZmuNuZE r

200866,1)00055,000728,1( ucmNZE r

5,931222

umuc

umc

uummcE MeV

Primjer zadatka : Izračunajte energiju vezanja jezgre C12

6 . Relativna atomska masa je 12u.

Rješenje : jezgrenp mmmm 66

uuuuZmmm eatomajezgre 99670,11)00330,012(00055,0612

uuuumuuum

09894,0)99670,1109564,12(99670,1101594,2699670,1100866,1600728,16

5,93109894,009894,0 22 ucmcE MeV 16,92 MeV 2. za energiju koja se oslobodi ili uloži tijekom nuklearnog procesa (reakcije) : Nuklearna reakcija može biti egzotermna ( oslobađanje energije ) i endotermna ( primanje energije ).

u slučaju endotermne nuklearne reakcije imamo : prijeposlije mmm poslijem UKUPNA masa produkata nuklearne reakcije ( desna strana u zapisu nuklearnog procesa )

prijem UKUPNA masa reaktanata nuklearne reakcije ( lijeva strana u zapisu nuklearnog procesa )

u slučaju egzotermne nuklearne reakcije imamo : poslijeprije mmm

poslijem i prijem imaju isto značenje kao i u primjeru egzotermnog procesa U oba slučaja oslobođena, tj. uložena energija dobije se prema formuli : 2mcE

u = 271066,1 kg

5,9312 uc MeV

4

qvBr

vm 2

mel FF

.konstBEvqvBqE

qrBmv BEv 2B

Eqmr

321321 :::: rrrmmm

3. Spektrograf masa i ciklotron - ne treba učiti

Određivanje relativnih atomskih masa pomoću spektrografa masa

spektrograf (spektrometar) masa - sprava koja služi za mjerenje mase ioniziranih atoma ili molekula - svi plinovi tvore plinovite katione električkim pražnjenjem kroz plin

A – izvor iona B – otvor C – prostor za ubrzavanje D – otvor G – odabirač brzine L – detektor iona

Ioni odabranog elementa ( smjesa izotopa )

ulaze u kombinaciju električnog i magnetskog polja, za koja vrijedi :

tj. • električki nabijena čestica koja uđe u magnetsko polje okomito na smjer gibanja čestice, giba se u kružnoj putanji • centripetalna sila (Fcp) uravnotežena je silom magnetskog polja (Fm) : i iz r ~ m Relativne atomske mase čestica istog naboja mogu se odrediti iz radijusa putova tih čestica u magnetnom polju :

× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

1. 2. 3. v

B

5

frmQBrfrv

mvQBrr

vmQvB

FF cpmag

22

2

mQBf2

mQBrfrv

2

22

mQBrv

2

2222

21

21

mrBQmmvE 222

21 rBQm

E

- ne treba učiti

nabijena čestica je postavljena u sredini između D-elektroda i giba se ubrzano, po cikloidi kada čestica prođe pola kruga, promijeni se smjer napona na elektrodama iz ciklotrona izlazi sa velikom energijom ( cca MeV ) Izvod formula : Kinetička energija :

Još jedna medicinska metoda liječenja radioaktivnim izotopima :

6

AleSi 2713

01

2714

YX AZ

AZ

42

42

HeRnRa 42

22286

22688

4. Radioaktivnost

prirodna radioaktivnost – prirodna ( spontana ) pretvorba jezgre jednog elementa u jezgru drugog elementa, uz pojavu radioaktivnog zračenja crtice iz povijesti : Henry Becquerel je 1896., ispitujući flourescenciju, pomoću x-zraka, opazio da neke uranove soli bez ikakvog vanjskog povoda šalju neke nevidljive zrake koje prolaze kroz metalne listiće i zacrnjuju fotografsku ploču,te ioniziraju zrak Marie Sklodowska-Curie je 1898.otkriva polonij, a 1902. radij Ra; novootkriveni radij zračio je oko milijun puta intenzivnije od urana i po tome je pojava nazvana radioaktivnost. 1903.g.M.Curie dobiva Nobelovu nagradu za fiziku, zajedno sa suprugom Pierreom Curiem i H.Becquerelom; 1911.g. M.Curie dobila je Nobelovu nagradu za kemiju Kasnija istraživanja su pokazala da radioaktivni elementi mogu zračiti 3 vrste zračenja :

, i Osim toga, također je ustanovljeno da u prirodi postoje 4 radioaktivna niza : 2 uranova, torijev i plutonijev

( detaljnije pogledati na adresi : http://www.walter-fendt.de/ph14cr/decayseries_cr.htm ) Pored prirodne radioaktivnosti, koja je gore opisana, postoji i umjetna radioaktivnost – umjetno izazvana, u laboratoriju.Dakle, umjetna radioaktivnost, tj. radioaktivnost umjetnih izotopa je pretvorba jezgre jednog elementa u jezgru drugog elementa na umjetan način ( „prisilno“ ). crtice iz povijesti: Umjetnu radioaktivnost su otkrili supruzi Jolliot ( Frederic i Irene Currie-J. ) te P. Savić 1934.g. na primjeru izobarnih jezgara AlSi 27

132714 :

= e01 ,tzv. pozitron( antičestica elektronu )

Od dvije jezgre, uvijek je jedna nestabilna: TO ZNAČI da se u prirodi kod danog broja sastavnih, gradivnih čestica, NUŽNO događa POMAK prema stanju sustava sa NAJNIŽOM ENERGIJOM !!! Osim raspada, umjetno radioaktivni izotopi mogu biti i , i radioaktivni. Osobine pojedinog zračenja : - zrake - čestica je jezgra izotopa helija He4

2 XAZ - jezgra roditelj

Općenito, zapis - raspada : YA

Z42

- jezgra kćer

Npr. jedan - raspad :

svojstva - zračenja : - raspad karakterističan za jezgre velike mase ( poseban oblik spontane fisije ) - brzina - čestice je oko 107 m/s energija - čestice iznosi nekoliko MeV - doseg - čestice u zraku, pri normalnom tlaku iznosi tek nekoliko cm; zaustavlja ih već

tanak list papira ( osim toga, - čestice se brzo neutraliziraju, zahvaćajući elektron iz okoline, te formiraju atom He4

2 )

- vrijeme poluraspada/poluživota (2

1T ) većine radioaktivnih izotopa je dugo milijune godina

- prirodu -zračenja tumači kvantna fizika tzv. TUNEL EFEKTOM –probijanje kroz potencijalnu barijeru

- - čestica kao projektil ne prodire u jezgre većeg rednog broja od 20, zbog velikog elektrostatskog odbijanja

- zračenje postoji tzv. i zračenje : = e01 , elektron

= e01 , pozitron = antičestica elektrona

- zrake - su snopovi elektrona vrlo velikih brzina ( MeVEcv 1 ) - doseg ( u zraku, pri normalnom tlaku ) je približno nekoliko metara

7

21

21

21

21

001

01 YeX A

ZA

Z

~001

01 YeX A

ZAZ

~00

01

13553

13552 eITe

*XenergijaX AZ

AZ

*XAZ

hfEEE mn

ee 01

01

~00

01

11

10 epn

Općenito, zapis - raspada :

~00 antineutrino, čestica koja je antičestica neutrina

Što se dogodilo u jezgri? Otkud elektron u jezgri ?? ......... Neutron je - radioaktivan : Neutrino je prvi postulirao W. Pauli, a otkrio ga je E. Fermi, 1934.g.na temelju zakona očuvanja impulsa i za to otkriće 1938.g. dobio Nobelovu nagradu. Z.O.I. ( tj. zakon očuvanja impulsa – spina ) Tek 1956.g. su Reines i Cowan eksperimentalnim putem ustanovili postojanje neutrina (1995.g.Nobelova n.) Antineutrino, kao i neutrino, nema naboja, ima masu 0,002 me, cv , ne djeluje na tvar kroz koju prolazi, jer djeluje samo slabom nuklearnom silom. ( doseg te sile se procijenjuje na oko 10-18m ) Primjer raspada :

- zrake su pozitroni, antičestice elektrona i oni su karakteristični za UMJETNU RADIOAKTIVNOST - otkrio ih je 1932.g. Anderson u kozmičkim zrakama, gdje nastaju kao rezultat

transformacije -fotona u jedan par čestica : elektron i pozitron ( S.T.R. na djelu):

energijski gledano : MeVMeVuccmhf e 022,1511,0200055,022 22

Neutrino nastaje raspadom protona : 0001

10

11 enp

Proton se može u laboratoriju izazvati na raspad ( iako proton ima vrijeme poluživota2

1T oko 1031 godina i u našem

svijetu on je stabilna čestica, praktički živi vječno – starost Svemira se procijenjuje na oko 1021 godina). Općenito, zapis - raspada : Neutrino i antineutrino ne djeluju na materiju kojom prolaze, pa nemaju praktičnog značenja.

- zrake su fotoni vrlo visokih frekvencija ( energija ) – malih valnih duljina ( m1210 ) - raspad je proces u kojem jezgra mijenje samo svoju energiju, a ne i strukturu. svojstva - zračenja :

- zračenje vrlo visoke energije ( nekoliko MeV ); utvrđeno ogibom - zraka na kristalima - vrijeme poluraspada -izotopa je tek nekoliko sekundi ( s10 ) - -zračenje nastaje tek nakon ili -zračenja i najčešće ih redovno prati

Općenito, prikaz - raspada : - pobuđena jezgra I jezgre, kao i atomi imaju tzv. kvantno energijsko stepenište, tj. mogu se nalaziti samo u određenim stanjima energije. Kao i atomi,niti jezgre „ne vole“ biti u stanju više energije, pa se spontano vraćaju u stanje niže energije. Pritom zrače FOTONE. U ovom slučaju to su - kvanti. I sada vrijedi formula : nE - energija n -tog stanja

energija fotona mE - energija m -tog stanja

8

NtN

teNN 0Tt

NN

20

2ln2 xx e

2ln

TT

2ln

tNN

TT 2

1

NA BqtNA

Tt

AA

20

Tt

mm

20

5. Zakon radioaktivnog raspada

- zakon koji govori o tome kako se spontano raspadaju jezgre u nekom uzorku istovrsnih jezgara ; radi se o prirodno radioaktivnim jezgrama

- diferencijalni oblik zakona :

( 1 )

- integralni oblik : (jednostavnije) : ( 2 )

jer je :

Pojmovi : N - broj jezgara koje se raspadnu za vrijeme t (Napomena: tt , vrijeme koje „teče“) N - ukupni broj prisutnih jezgara u vremenu t

- konstanta radioaktivnog raspada je VJEROJATNOST RASPADA U JEDINICI VREMENA - ne ovisi o tlaku, temperaturi, količini tvari ili bilo kakvom vanjskom fizikalnom ili kemijskom utjecaju

0N - broj jezgara prisutan u 0t ( na početku „promatranja“ ) , period poluraspada ili vrijeme poluživota

- to je vrijeme za koje se početni broj jezgara smanji na pola

- dakle, kada je 2NN tada je

21Tt

A - aktivnost ( uzorka istovrsnih jezgara ) Aktivnost je brzina raspada :

, bekerel zbog ( 1 ) ili broj raspada u jednoj sekundi

Budući je brzina raspada ( aktivnost ) proporcionalna sa ukupnim brojem promatranih jezgara, može se pisati : A ~ N iz ( 2 )

0A - aktivnost u 0t ( na početku mjerenja ) Mjerne jedinice :

u čast Henria Becquerela 1 bekerel ( Bq ) = 1s-1 , SI – jedinica aktivnosti u čast Marie Sklodowski-Curie 1 kiri ( Ci ) = 3,7∙1010 s-1 , aktivnost 1grama radija u čast Ernesta Rutherforda 1 raderford ( rd ) = 106 s-1

Osim toga, i ukupna masa jezgara je proporcionalna ukupnom broju jezgara, pa se može pisati :

m ~ N iz ( 2 ) m – masa jezgara u trenutku t

m0 - masa jezgara na početku „promatranja“ ( t = 0 )

9

6. Fisija

Fisija je proces cijepanja teške atomske jezgre na dva podjednako velika dijela (otkrivena 1935.g.), uz oslobađanje energije. Najpoznatija fisijska nuklearna reakcija nastaje kada spori neutron uđe u jezgru urana-235.

fisija urana- 235 spori, tzv. termalni, tj. spori neutron (energije oko stotinku eV) ulazi u jezgru urana-235;

nastaje pobuđena jezgra, koja se raspada na dvije jezgre ( npr. barij-141 i kripton-92 )

Neutroni su vrlo pogodni projektili za bombardiranje jezgre, jer su neutralne čestice, pa ne osjećaju odbojnu električnu silu kad su blizu jezgre.

Kada se jezgra 235-U bombardira sporim neutronima događa se fisija, jezgra urana se raspada na dvije lakše jezgre i 2-3 neutrona, a pri tome se oslobađa energija od oko 200 MeV

Neutroni nastali fisijom mogu izazvati novu fisiju, te može doći do nekontrolirane lančane reakcija (atomska bomba) ili do kontrolirane lančane reakcije – nuklearni reaktor

EnKrBaUUn 10

9236

14156

*23692

23592

10 3 200E MeV

Svaki od 3 oslobođena neutrona u procesu fisije može izazvati novu

fisiju nastaje LANČANA REAKCIJA ( slika ) Ipak, lančanu reakciju ne izaziva svaki neutron, jer se neki :

„gube“ u drugim nuklearnim reakcijama izlaze izvan mase tvari u kojoj se odvija lančana

reakcija Omjer broja neutrona oslobođenih fisijom i broja „izgubljenih“ neutrona je mjera da li će lančana reakcija teći jednoliko, ubrzano ili će trnuti

kritična masa – najmanja količina fisionog materijala, potrebna da se u njoj podržava lančana reakcija

( za uran iznosi oko 25 kg, za plutonij oko 10 kg eksplozija traje 1 μs i razvije temperaturu od 1 000 000 K )

nuklearni reaktor - uređaj u kojem se razvija lančana reakcija dijelovi reaktora :

nuklearno gorivo ( npr. U-235 ) moderator ( usporivač neutrona ) – npr. teška voda OD2 ili grafit C12

6 ili Be94

kontrolni uređaj ( apsorber neutrona ) – to su šipke od kadmija ili tzv. „borna“ voda ;( podešava se brzina lančane reakcije )

zaštitni uređaj – zaštitni zid oko cijelog reaktora : debeli sloj betona, te sigurnosni alarmni uređaji

Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor je sustav dizajniran za samoodrživu fisijsku reakciju Definira se parametar K – neutronski prinos kao srednji broj neutrona iz svakog fisijskog

procesa koji su izazvali novi fisijski proces.

Maksimalna vrijednost K za fisiju urana je 2,5 u praksi, K < 2,5

K = 1 – samoodržavajuća fisijska reakcija (kritični reaktor) K < 1 – fisija zamre, podkritični reaktor K > 1 – lančana reakcija (nadkritični reaktor)

10

Kontrolom neutronskog prinosa kontrolira se broj neutrona, koriste se štapovi od kadmija koji se uvlače u reaktorsku jezgru i apsorbiraju neutrone

Moderatori su supstance koje služe za usporavanje neutrona jer samo termalni (spori) neutroni mogu izazvati fisiju 235U. Dobar moderator je voda (neutron se sudari s jezgrom vodika u vodi) a ujedno i fluid koji se grije i prenosi toplinu do parne turbine.

Problem je korištenje vode kao moderatora u reaktoru koji koristi prirodni uran jer se često dogodi da jezgra vodika u vodi apsorbira neutron te nastaje teška voda D2O, zato se kao moderator u reaktorima s prirodnim uranom treba koristiti teška voda.

Većina reaktora danas koristi uran kao fisijsko gorivo u formi uranovog oksida UO2 Prirodni uran sadrži 99,3% U-238 i 0,7% U-235

238-U nije podložan fisiji termalnim sporim neutronima da bi se prirodni uranov dioksid UO2 mogao koristiti kao fisijsko gorivo potrebno je povećati

koncentraciju U-235 do nekoliko postotaka ( > 3% ) – to je tzv. obogaćivanje urana - tehnološki zahtjevan proces

Izmjena svake Moderator usporava brze neutrone a 3 godine kontrolni štapovi (kadmij, bor) apsorbiraju spore neutrone.

Nuklearna elektrana nuklearna elektrana je u stvari termoelektrana; energija oslobođena u nuklearnom reaktoru koji

radi u ciklusu kontrolirane lančane reakcije koristi se za proizvodnju pare koja pokreće turbinu električnog generatora; fisija se drži pod kontrolom kontrolirajući broj neutrona u nuklearnom reaktoru

11

7. Fuzija

Fuzija je proces spajanja lakih atomskih jezgara u težu, uz emitiranje energije i čestica. Preduvjet za odvijanje fuzije je vrlo visoka temperatura ( > 107 K ). Zbog toga fuzija nikada ne nastaje u „normalnim“ uvjetima na Zemlji. „Kočnice“ fuzije, tj. pojave/procesi koji otežavaju fuziju su :

velika električna potencijalna barijera jezgara „roditelja“ ( protona i lakih jezgara)

pretvorba protona u neutrone

Stoga spontana fuzija postoji na Suncu i zvijezdama. Temperature u središtu zvijezda su reda veličine desetak milijuna kelvina. Kada jednom dođe do fuzije, njezin daljnji proces održava se sam, sve dok postoje jezgre koje doživljavaju taj proces – toplina nastala pri početnoj fuziji stvara potrebne uvjete za daljnji tok te reakcije.

Opis dvije fuzijske reakcije :

I. reakcija fuzije na Suncu - termonuklearna reakcija

Proces nastajanja helija može se predočiti po fazama :

42,02 01

21

11 eHp MeV traje 10103,1 godina

49,532

11

21 HepH MeV traje 6 sekundi

86,1222 11

42

32 pHeHe MeV traje 610 godina

ili, kraće : MeVeHeH 68,24224 00

01

42

11

prosječno 6,5 MeV po jezgri

Na zvijezdama veće mase i toplijima od Sunca ( 108 K ), termonuklearno izgaranje vodika zbiva se i jednim drugim procesom. Uz glavni ciklus, vodik se sintetizira u helij prema tzv. ugljik-dušik-kisik ciklusu.

II. hidrogenska bomba

Za ovaj proces protoni moraju imati velike energije. Zbog toga se ubrzavaju u akceleratorima čestica. Ali, energija koja se troši za rad akceleratora veća je od one koja se oslobodi fuzijom. Zbog toga se fuzija ne može koristiti kao izvor energije.

Hidrogenska bomba se sastoji od 2 dijela :

atomska bomba ( iskorištava se energija oslobođena fisijskom lančanom reakcijom za ubrzavanje protona )

dio koji osigurava stvaranje deuterija i tricija

Procesi koji se odvijaju u hidrogenskoj bombi može se predočiti fazama :

00

01

21

11

11 eHpp , stvaranje deuterija

00

01

31

11

21 eHpH , stvaranje tricija

fuzija deuterija i tricija : QnHeHH 10

42

31

21 , stvaranje helija

Pojedinačnom fuzijom se oslobađa manje energije nego pojedinačnom fisijom, no količina oslobođene energije po jedinici mase goriva pri fuziji znatno je veća nego pri fisiji. Iz podataka se može vidjeti da je proces fuzije učinkovitiji 4,7 puta.

Osim toga, kontrolirana termonuklearna fuzija bi bila puno čišći izvor energije nego fisija, jer bi proizvela puno manje radioaktivnog otpada. Naime, produkt fuzije deuterija i tricija je helij-4, koji nije radioaktivan. No, određena količina radioaktivnog materijala ipak bi nastala djelovanjem fuzijskih neutrona ( oni su produkt fuzije ). Ti neutroni kao projektili mogu naletjeti na stabilne jezgre i pretvoriti ih u radioaktivne. Takvu

12

NA tNA

BqCi 10107,31 mED

GyradD 210

mQX

kgC

kgCrendgenX 41058,21

tX

skgC

tX

srendgen

tX

DqH SvH

BqsA 1

radioaktivnost nazivamo induciranom radioaktivnošću. Osim toga, i tricij koji se nalazi u gorivu, je radioaktivan. Nadalje, u fuzijskom reaktoru se nikada ne bi nalazila veća količina radioaktivnog goriva. Fuzijsko gorivo neprestano bi se pomalo ubacivalo u reaktor, pa ne bi bilo mogućnosti veće katastrofe fuzijskog reaktora. Zatim, zalihe goriva za fuziju ( deuterij u moskoj vodi ) praktički su neiscrpne. Deuterij iz jedne litre vode mogao bi davati energiju kao stotinjak litara benzina. Istraživanja usmjerena na uporabu nuklearne fuzije kao izvora energije razmatraju dvije glavne metode ostvarivanja kontrolirane fuzije. To su metoda magnetske boce ( nehomogeno magnetsko polje „drži“ čestice termonuklearne plazme, koje se zagrijavaju pomoću jakih izmjeničnih električnih polja na vrlo visoku temperaturu ) i metoda laserske mikroeksplozije ( to je minijaturna nuklearna eksplozija izazvana laserskim snopom; od deuterija i tricija napravi se pilula u obliku kuglice promjera do desetinke milimetra; za izazivanje eksplozivne fuzije služi izvanredno snažan i kratkotrajan puls laserske svjetlosti, koji u jednom trenutku sa svih strana pogodi pilulu – pri tome površinski sloj pilule upije golemu energiju – zato vanjski sloj pilule eksplodira, a unutarnji je dio velikom brzinom potisnut prema sredini pilule; samo na tren u središnjem dijelu pilule nastaje termonuklearna plazma zagrijana na milijune stupnjeva i nastaje termonuklearna fuzija. Osim termonuklearne fuzije istražuje se i mogućnost tzv. hladne fuzije ....

8. Dozimetrija radioaktivnog zračenja Radioaktivno zračenje je ionizirajuće zračenje – ionizira tvar kroz koju prolazi. dozimetrija – dio nuklearne fizike koji proučava interakciju ionizacijskog zračenja sa materijom, te je vrednuje i mjeri Veličine koje se koriste u dozimetriji: AKTIVNOST RADIOAKTIVNOG IZVORA, A :

APSORBIRANA DOZA, D : GykgJ

,grej

stara mjerna jedinica : E – energija koju upija ozračena tvar m – masa ozračene tvari EKSPOZICIJA, X : izražava ionizaciju zraka prolaskom radioaktivnog zračenja stara mjerna jedinica :

Q – suma naboja svih razdvojenih iona (+ iona) = ukupni naboj m – masa zraka u promatranom volumenu SPECIFIČNA EKSPOZICIJA – broj razdvojenih iona po jedinici duljine puta BRZINA EKSPOZICIJE : stara mjerna jedinica :

EKVIVALENTNA DOZA, H : , sivert

13

mSvH Zagreb 1

EM

xE

stara mjerna jedinica : SvremH 210 D – apsorbirana doza q – faktor kvalitete ; izražava štetnost zračenja za organizam Srednja godišnja ekvivalentna doza u Zagrebu :

Sve dok ekvivalentna doza iznosi manje od 0,1Sv ne opaža se učinak zračenja, ali postoji rizik.

Podaci za neke ekvivalentne doze primljene pri medicinskim pretragama : snimanje pluća : mSvH 5,0

snimanje bubrega : mSvH 2 snimanje mozga : mSvH 9 snimanje štitnjače pomoću joda I -131 : mSvH 750 pregled jetre : mSvH 50 Svaki stanovnik Hrvatske je, zbog katastrofe u Černobilu, primio ekvivalentnu dozu : mSvH 5,0

9. MEĐUDJELOVANJE IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA SA MATERIJOM ionizirajuće zračenje – ionizira tvar kroz koju prolazi

- to je : xnp ,,,,, zrake, kozmičke zrake itd. Načini međudjelovanja zračenja sa materijom : a) brze električki nabijene čestice ( e , p , čestice ... )

kontinuirana ionizacija atoma i molekula uzduž putanje tih čestica tzv. neposredna ionizacija

gubitak energije ionizacijom to je brži što su veći masa i naboj ionizirajuće čestice do određenih brzina, gubitak energije je to manji što je brzina (energija) veća :

x duljina puta

b) elektromagnetsko zračenje ( x i )

do energije oko 1MeV : fotoelektrični efekt – foton „nestane“; svu energiju preda elektronu Comptonov efekt – neelastični sudar fotona sa elektronom: kinEfhhf

iznad energije od 1MeV tvorba parova elektron-pozitron;

foton se u materiji pretvori u par e i e : ee Z.O.naboja : 0 = -1 + 1

Z.O.energije : 02,12 2 cmE e MeV Koji će od ova tri nabrojena procesa prevladati pri prolasku elektromagnetskog zračenja kroz materiju, ovisi kako o energiji zračenja, tako i o tvari kroz koju ono prolazi. Npr., pri prolasku kroz tvar visokog rednog broja ( olovo, Z=82 ) prevladavat će foto efekt za niže, a tvorba parova za više energije. Prolaskom kroz tvari niskog rednog broja ( parafin, voda, drvo ) prevladavat će Comptonov efekt. No, u svakom slučaju, energija x i zračenja preda se elektronima u materijalu.

c) neutroni – ne ioniziraju materiju neposrednim djelovanjem, nego tek sudarima sa jezgrama, odnosno protonima, ako je tvar bogata vodikom; udareni protoni i jezgre (malog rednog broja) onda ioniziraju atome

Vrsta zračenja

Faktor kvalitete

x-zračenje (200keV) 1

-zračenje

1MeV 4MeV

0,6 0,7

elektroni

1

protoni (1-10 MeV)

2

neutroni spori brzi

3

10 -

zračenje

20

14

xeNN 0

Zbog jednakosti masa (zakon sudara), neutroni se najlakše i najefikasnije usporavaju (gube energiju) upravo sudarima sa protonima. No, i tvari u kojima ima uz vodik i drugih lakih elemenata, dobro zaustavljaju neutrone.

ZAŠTITA OD ZRAČENJA Želimo li prostor ili ljude zaštititi od djelovanja ionizirajućeg zračenja, moramo ih ili udaljiti od izvora zračenja ili od njega odvojiti pregradom. Mehanizam međudjelovanja zračenja sa materijom uvjetuje da i načini zaštite od različitih vrsta ionizira- jućeg zračenja bude različit.

Za nabijene čestice : moguće je definirati o gubitak energije po jedinici duljine puta o doseg, tj. debljinu sloja tvari koja u potpunosti zaustavlja snop brzih

nabijenih čestica za elektromagnetsko zračenje i neutrone (najčešće u praksi):

o definira se debljina tzv. polovične atenuacije upadni zaštita snop fotona oslabljeni ili neutrona snop slabljenje snopa = atenuacija

- linearni koeficijent atenuacije

0N xeN 0 DESET PITANJA O OPASNOSTI OD IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA

1. Kako ionizirajuće zračenje djeluje na živi organizam ? Ionizirajuće zračenje izaziva ionizaciju i povećava energiju molekula u tkivu. Zbog toga se naknadno događaju fizikalno-kemijske reakcije koje uzrokuju biološko djelovanje zračenja, i to pretežno na dva načina :

izravnim oštećivanjem bioloških molekula djelovanjem kemijskih produkata nastalih ozračivanjem bioloških molekula

2. Kojim je prirodnim izvorima ionizirajućeg zračenja izložen čovijek ? Čovjek je neprestano izložen radioaktivnom zračenju prirodnih radioaktivnih tvari koje se nalaze u tlu, zraku, hrani, vodi i u samom tijelu, te kozmičkom zračenju što Zemlju neprekidno zapljuskuje iz svemira.U svakoj sekundi čavjeka pogodi približno 15 tisuća čestica prirodnog zračenja. Ekvivalentna Doza koju čovjek primi tijekom jedne godine zbog prirodne radioaktivnosti iznosi 1 mSv.

3. Razlikuje li se prirodna radioaktivnost od mjesta do mjesta ? Od mjesta do mjesta na Zemlji prirodna radioaktivnost može se dosta razlikovati. Na primjer, na površini oceana prirodna ekvivalentna doza koju čevjek primi tijekom godine iznosi približno 0,5 mSv; u Londonu 0,8 mSv; u Coloradu 2,5 mSv a u granitnim brdima Francuske 3 MSv. Na nekim je mjestima prirodna radioaktivnost izrazito povećana, primjerice u Kerali (Indija) ekvivalentna doza u jednoj godini na nekim mjestima iznosi 80 mSv, a u Minas Geraisu (Brazil) čak i 120 mSv.

4. Kolike su ekvivalentne doze primljene pri medicinskim dijagnostičkim pretragama ? Pri rendgenskom snimanju plića čovjek primi ekvivalentnu dozu od približno 0,5 mSv; pri snimanju udova 1 mSv; bubrega 2 mSv, a pri snimanju mozga 9 mSv. Pri pregledu štitnjače pomoće radioaktivnog joda-131 doza koju primi štitnjača iznosi otprilike 750 mSv. Pri pregledo jetre pomoću radioaktivnog zlata-198 doza za jetru iznosi otprilike 50 mSv.

15

5. Koliku je ekvivalentnu dozu primio stanovnik Hrvatske zbog katastrofe nuklearne elektrane u Černobilu ?

Približno 0,5 mSv.

6. Koje su kratkoročne posljedice radioaktivnog zračenja ? Kratkoročni utjecaj velikih ekvivalentnih doza zračenja, većih od 1 000 mSv, dobro je poznat. Ekvivalentna doza od otprilike 10 000 mSv primljena po cijelom tijelu je smrtonosna. Doza od 4 000 mSv smrtonosna je za 50% ozračenih. Ako pak primi ekvivalentnu dozu 1 000 mSv, čovjek se obično oporavi za nekoliko tjedana.

Najmanja ekvivalentna doza koja može izazvati neposredne posljedice iznosi približno 500 mSv, pri čemu se privremeno promijeni krvna slika, a može se pojaviti i mučnina.

7. Kolike su dugoročne posljedice velikih doza ? Velike doze, otprilike tisuću i više milisiverta, mogu naknadno, tijekom sljedećih desetljeća, izazvati smrtonosne bolesti. To je utvrđeno na žrtvama nuklearnog bombardiranja u Hiroshimi i Nagasakiju, zatim na ljudima koji su zbog medicinske terapije primili velike doze zračenja, na radnicima koji su stradali u nesrećama s radioaktivnim materijalom i na rudarima koji su prije 1940.god. radili bez zaštitnih mjera u rudnicima urana u Čehoslovačkoj, Švedskoj i SAD-u. Također je dokazano da velike doze zračenja mogu izazvati genetske poremećaje koji se očituju na kasnijim naraštajima.

8. Kolika je dugoročna opasnost od malih doza zračenja ? U svijetu su provedena brojna i opsežna istraživanja da se utvrdi kakvo je djelovanje malih doza ionizirajućeg zračenja. To su doze koje čovjek dobiva prirodnim zračenjem (otprilike 1 mSv tijekom jedne godine), zbog pokusnih nuklearnih eksplozija, pri medicinskim primjenama zračenja itd.) Provedena su mnoga istraživanja nadziranim ozračivanjem velikog broja pokusnih životinja malim dozama zračenja. No, još nije dokazan štetan utjecaj malih doza zračenja. Jednako tako nisu dokazala štetnost istraživanja o utjecaju na zdravlje malih doza zračenja zbog prirodne radioaktivnosti okoliša. 9. Kakva je teorijska procjena mogućih opasnosti od malih doza zračenja ? Iako nije otkriven škodljiv utjecaj malih doza zračenja, iz opreza je prihvaćena pretpostavka da svako zračenje može biti opasno, čak i najmanje doze. Ali očekivana opasnost to je manja što je manja doza. Zato je uvedena tzv. linearna hipoteza :

Pretpostavljeno je da linearna veza između doze zračenja i izazvane smrtnosti, potvrđena za velike ekvivalentne doze iznosi : N = 10-5 ∙ ukupna primljena doza

vrijedi i za male doze. To se pravilo naziva LINEARNA HIPOTEZA.

Iz linearne hipoteze konkretno proistječe, na primjer : kada bi sto tisuća ljudi primilo dozu zračenja po 1 mSv (kolika je prosječna prirodna doza u jednoj godini) zbog toga bi u sljedećih 30 godina umro jedan čovjek. To je tako mali utjecaj da ga u medicinskoj praksi nije moguće utvrditi.

10. Djeluju li neke kemijske tvari na čovjeka slično kao ionizirajuće zračenje ? Otkriveno je da neke kemijske tvari izazivaju slične dugoročne posljedice na zdravlje kao zračenje. Takve tvari nalaze se, na primjer, u duhanskom dimu, u dimu pri izgaranju ugljena, u ispušnim plinovima automobilskih motora i u raznim kemijskim sredstvima. Za neke od tih tvari utvrđena je količina koje je učinak sličan učinku ekvivalentne doze zračenja 1 mSv. Na primjer, dogoročna opasnost od doze zračenja 1 mSv slična je kao opasnost kojoj je čovjek izložen ako popuši nekoliko cigareta

16

17

NEKA OSNOVNA OBILJEŽJA ELEMENATA IONIZIRAJUĆEG ZRAČENJA Naziv

Znak

Naboj

Relativna masa mirovanja

0mu

Energijski ekvivalent

ekvE MeV

Porijeklo

elektron ( - čestica)

e, -e

, -e 5,485 8026∙10-4 0,511

atomski omotač, atomska jezgra, akceleratori

pozitron ( - čestica)

+e

+e 5,485 8026∙10-4 0,511 atomska jezgra, tvorba parova

proton

p, 1

1 H +e 1,007 27647 938,280 atomska jezgra

neutron

n 0 1,008 665012 136,573 atomska jezgra

-čestica

, 4

2 He +2e 4,001 507 3 727,4 atomska jezgra

foton rendgenskog zračenja

x 0 0 hf

rendgenska cijev, drugi akceleratori, energijski prijelazi u atomskom omotaču

foton -zračenja

0 0 hf

atomska jezgra, energijski prijelazi u atomskom omotaču

18

19

10. Detektori ionizirajućeg zračenjenja

Osnovno načelo :

- pohrana energije čestice koje se detektiraju te njene pretvorbe u signal koji je dostupan ljudskoj percepciji

- na samim početcima korišteni su detektori čiji se signal mogao izravno vidjeti

- detektori današnjice su u biti “električni”

- pod pojmom detektor često se podrazumijeva osim uređaja i pripadna elektronika Ionizacijska komora

• prikladne su za niske energije elektrona i fotona • posebna posuda u kojoj se nalaze dvije elektrode (anoda i katoda) spojene na visoki napon • u posudi se obično nalazi plemeniti plin (detekcijski materijal), jer u njemu prije dođe do multiplikacije nego u onima složenijih molekula • radioaktivno zračenje koje dospijeva u aktivnu zapreminu komore ionizira plin • pod utjecajem električnog polja pozitivni ioni putuju prema katodi (negativnoj elektrodi), a elektroni prema anodi (pozitivnoj elektrodi) • gibanje naboja dovodi do strujnog pulsa koji se registrira mjernim uređajem • ionizacijska komora ima relativno mali napon među elektrodama, no on mora biti dovoljno velik da skoro u potpunosti razdvoji elektrone i pozitivne ione i u isto vrijeme dovoljno mali da ne ubrzava elektrone do te mjere da na putu do anode mogu ponovo ionizirati atome detektorskog plina

Veličina električnog pulsa u ionizacijskoj komori je proporcionalna broju nastalih ionskih parova ( iona – elektrona ), odnosno energiji upadne čestice. Sa ovakvim detektorom možemo mjeriti energije upadnog zračenja.

Proporcionalna komora

Povećanjem napona između anode i katode elektroni se jače ubrzavaju te ioniziraju detektorski plin. Novonastali elektroni mogu ponovo izazvati ionizaciju; to se događa u uskom području oko anode, gdje vlada jako polje.

Ukupni broj nastalih ionskih parova proporcionalan je početnom broju ionskih parova (primarna ionizacija) i naponu. Od posebne važnosti za današnju modernu fiziku su proporcionalne komore sa mnogo žica (Multiwire Proportional Chamber.) Geiger- Muller-ov brojač

• povećanjem napona među elektrodama elektroni se tako jako ubrzavaju da snažno ioniziraju atome, a potom to čine novonastali elektroni Proces ionizacije se višestruko ponavlja i nastaje prava lavina elektrona; količina skupljenog naboja je vrlo velika i ne ovisi o primarnoj ionizaciji (energiji upadne čestice). Geiger-Mullerov brojač može samo detektirati prisutstvo zračenja i ništa više.

20

Wilsonova komora

Mesingana valjkasta posuda u kojoj se kao u parnom valjku može slobodno kretati klip. Posuda je ispunjena zasićenom parom vode, helija dušika ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja stavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjem tlaka para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem tlaka dolazi do širenja pare (temperatura se

snizi) te prelazi u prezasićeno stanje. Para se u takvom stanju lako kondenzira u tekućinu. Prolaskom samo jedne alfa čestice stvara se tisuću parova iona koji postaju centri kondenzacije pare. Na taj način formiraju se kapljice tekućine koje stvaraju tragove vidljive ljudskim okom.

Poluvodički detektori Manji su, mehanički stabilniji i pristrani (dodatni) napon nije potreban. Mala površina omogućuje blizinu površine detekcije prema zračenoj površini. Značajke ovise o izboru materijala u samoj izradi poluvodiča.