Charakteristika jaderných (nukleárních) reakcí

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Charakteristika jaderných (nukleárních) reakcí"

Pavel Ševčík
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Charakteristika jaderných (nukleárních) reakcí Nukleární reakce probíhají buď jako samovolné rozpady některých atomových jader nebo jako jaderné reakce, vyvolané bombardováním i stabilního jádra jiným jádrem nebo nukleární částicí. Rozdíly mezi nukleárními a chemickými reakcemi: Při jaderných reakcích se uvolňuje mnohem více energie. Izotopy vstupují do stejných chemických ale různých jaderných reakcí. Jaderné reakce nezávisí na složení okolního prostředí. Při jaderných reakcích vznikají jiné prvky. Rychlost jaderných reakcí nezávisí na teplotě. Jaderné částice nukleon: každá jadernáčástice, tj. proton p, nebo neutron n. Nukleony jsou navzájem přitahovány silnou interakcí. Elektrostatické odpuzování ale způsobuje nestabilitu velkých atomů (>83 protonů). Z = atomové číslo (počet protonů), A = Z + počet neutronů. Izotopy: 6 obsahuje 8 p, 8 e 8 O, 8 n; 7 obsahuje 8 p, 8 e 8 O, 9 n; 8 obsahuje 8 p, 8 e, 0 n. 8 O Nestabilní atomy emitují částice:. Proton H p 2. Neutron 0 n 3. Elektron 0 e or 0 β 4. Pozitron 0 + e or + 0 β 5. Gama záření 0 0 γ pozitrony: kladně nabité částice o stejné hmotnosti jako elektrony. gama záření: foton o vysoké energii ( 0-2 m). A X Z

Izotopy vstupují do stejných chemických ale různých jaderných reakcí. Jaderné reakce nezávisí na složení okolního prostředí. Při jaderných reakcích vznikají jiné prvky.

2 Jaderné reakce Jaderné reakce musí zachovávat bilanci stejně jako reakce chemické, např.: 4 C 6 4 N e + Typy radioaktivních rozpadů: Beta emise: neutron se mění na proton emisí elektronu; atomové číslo se zvyšuje 0 0 n p + e Př.: Určete produkt následující reakce: K β +? Alfa emise: uvolňuje se jádro atomu helia Př.: Určete produkt: Ra? + 2He 0 Pozitronová emise: proton se mění na neutron p 0 n + + e 94 0 Př.: Určete produkt: 53 Tc? + + e Gama emise: beze změny hmoty nebo náboje, obvykle doprovází další rozkladné procesy 4 Př.: C 4 N e + γ Zachycení elektronu: podobně jako u pozitronové emise přeměna protonu na neutron 0 p + e 0 n 40 0 Př.: Určete produkt: 9K + e? Stabilita jader Slupkový model jádra: protony a neutrony existují v energetických hladinách které se zaplňují po dvojicích (násobcích jádra helia). Magická čísla: jisté počty jaderných částic jsou zvláště stabilní (podobně jako struktury vzácných plynů s počty elektronů 2, 0, 8, 36, 54 a 86) Protony : 2, 8, 20, 28, 50, 82 Neutrony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, Např. α-částice ( α ) a 82Pb jsou dvojnásob magické struktury. Jádra se sudým počtem protonů a neutronů jsou nejstabilnější (nejvyšší počet stabilních izotopů), nejméně stabilní jsou jádra s lichým počtem protonů a neutronů. Všechny izotopy s atomovým číslem > 83 jsou radioaktivní. 2

Alfa emise: uvolňuje se jádro atomu helia Př.: Určete produkt: 226 4 88 Ra? + 2He 0 Pozitronová emise: proton se mění na neutron p 0 n + + e 94 0 Př.: Určete produkt: 53 Tc?

3 Pás stability izotopů Pás stability = černě vyznačené stabilní izotopy (nad Z = 82 se uplatňuje α - nebo β - emise). Vyšší počet neutronů u větších jader kompenzuje elektrostatické odpuzování protonů. Izotopy nad pásem: beta emise Izotopy pod pásem: zachytávání elektronů nebo pozitronová emise Bombardování jader a transmutace Bombardováním jádra jadernými částicemi vede k přeměně jednoho prvku v jiný. Rutherfordův pokus: N + 2 He 8 O + H Př.: Určete produkt zachycování elektronu: Cu + β? Př.: Určete produkt neutronového bombardování Fe: Fe + 2n? + e Př.: Určete produkt jaderné reakce 40 8 Ar + p? + 0 n 3

Izotopy nad pásem: beta emise Izotopy pod pásem: zachytávání elektronů nebo pozitronová emise Bombardování jader a transmutace Bombardováním jádra jadernými

4 Příprava transuranů transmutací Rychlost jaderného rozpadu Rychlost jaderného rozpadu je přímo úměrná počtu přítomných jader: N rychlost = k N popř. = e kt No Poločas rozpadu je čas potřebný k rozpadu poloviny původně přítomných jader: ( t t ) při t /2 N = /2N o, t /2 = 0.693/k popř. = e /2 Př.: Poločas rozpadu kobaltu 60 je 5.26 roku. Kolik z původního množství kobaltu zůstane po 2 letech? Př.: Tritium se rozkládá beta emisí s poločasem 2.3 roku. Kolik z původního množství materiálu zůstane po 30 letech? Př.: Je-li.0 g tritia uloženo po dobu 5 let, kolik tohoto izotopu zůstane ve vzorku? k = 0.563/rok. N N o 4

: Poločas rozpadu kobaltu 60 je 5.26 roku. Kolik z původního množství kobaltu zůstane po 2 letech? Př.: Tritium se rozkládá beta emisí s poločasem 2.3 roku.

5 Datace radiokarbonovou metodou Uhlík-4 vzniká přirozenými pochody iniciovanými kosmickým zářením: 4 N n 4. C H 4 6 C je nestabilní s poločasem rozpadu 5730 let. Rychlost rozkladu, která je přímo úměrná koncentraci 4 C, lze měřit: R = k N R R 2 k N = k N Př.: Rychlost rozpadu 4 C ve vzorku dřevěného uhlí ze stromu zničeného při sopečné erupci v Crater Lake (Oregon) je 7.0 jaderných rozpadů 4 C min g celkového uhlíku. V současné organické hmotě (v živých stromech) je tato rychlost 5.3 rozkladů min g celkového uhlíku. Určete kdy došlo k výbuchu vulkánu. 2 m = m 2 Měření radioaktivity Geigerův počítač detekuje nabité částice vzniklé interakcí plynu s částicemi emitovanými z radioaktivního materiálu. Scintilační počítače detekujíčástice vzniklé z radioaktivního materiálu měřením intenzity světla vzniklého při srážkách těchto částic s fosforem nebo NaI. Jednotky: curie (Ci) = 3.7x0 0 rozpadů s - 5

: Rychlost rozpadu 4 C ve vzorku dřevěného uhlí ze stromu zničeného při sopečné erupci v Crater Lake (Oregon) je 7.0 jaderných rozpadů 4 C min g celkového uhlíku.

6 Energetické změny při jaderných reakcích Při většině jaderných reakcí se uvolňuje značné množství energie: 2 H + n He + γ Energie potřebná k destrukci jádra na jednotlivé protony a neutrony je vazebná energie jádra, E b : 4 2He 2 p + 20n Při kombinaci protonů a neutronů se nezachovává hmota (platí rozšířený zákon zachování hmoty a energie). Př.: určete změnu hmoty při vzniku jádra helia. Protony Neutrony teoretická amu = amu amu = amu hmotnost He = amu Naměřená hmotnost jádra He (bez elektronů) = amu ( m = g/mol je hmotnostní defekt). Související změna energie plyne z Einsteinova vztahu: E = mc 2. Př.: Určete vazebnou energii jader molu He. Vazebné energie jader 56 Fe má nejvyšší E b (jde o nejstabilnější izotop vůbec). Možnost získávat energii: Při rozpadu radioaktivních prvků jako U-235 Fúzí dvou jader deuteria za vzniku He. Dosud nezvládnuto. 6

Protony Neutrony teoretická 2.00728 amu = 2.0456 amu 2.00866 amu = 2.0732 amu hmotnost He = 4.0388 amu Naměřená hmotnost jádra He (bez elektronů) = 4.0050 amu ( m = 0.

7 Radioaktivní rozpad uranu U + n 90 Sr + 43 Xe + 3 n + energie energie = [hmotnost 235 U + hmotnost n (hmotnost 90 Sr + hmotnost 43 Xe + 3 x hmotnost n )] x c 2 energie = 3.3 x 0 - J na 235 U = 2.0 x 0 3 J na mol 235 U Spálením tuny uhlí lze získat 5 x 0 7 J Rozpadová řada uranu 238 7

Xe + 3 x hmotnost n )] x c 2 energie = 3.3 x 0 - J na 235 U = 2.

8 Radioizotopy v medicíně /3 pacientů v nemocnicích využije některou z procedur nukleární medicíny 24 Na, t ½ = 4.8 hod, β emise 3 I, t ½ = 4.8 hod, β emise 23 I, t ½ = 3.3 hod, γ emise 8 F, t ½ =.8 hod, β + emise 99 Tc, t ½ = 6 hod, γ emise Zobrazení mozku značkovaného sloučeninou s 23 I 8

8 hod, β emise 23 I, t ½ = 3.3 hod, γ emise 8 F, t ½ =.

Podobné dokumenty

Jaderná energie. Obrázek atomů železa pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu

Jaderná energie. Obrázek atomů železa pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu Jaderná energie Atom Všechny věci kolem nás se skládají z atomů. Atom obsahuje jádro (tvořené protony a neutrony) a obal tvořený elektrony. Protony a elektrony jsou částice elektricky nabité, neutron je