Mgr. Jan Ptáčník Atomová a jaderná fyzika Fyzika - kvarta Gymnázium J. V. Jirsíka
Atom - historie Starověk - Démokritos 19. století - první důkazy Konec 19. stol. - objev elektronu Vznik modelů atomu
Thomsonův model Pudinkový model Kladná hmota Záporné elektrony
Rutherfordův model Planetární model Vyvrátil Thomsonův model Kladné malé jádro velké hmotnosti Elektrony obíhající kolem
Bohrův model Odstranil problémy Rutherfordova modelu (animace) Použití kvantové teorie (Max Planck) Kvantování energie Foton Přesně dané trajektorie elektronů Vrstvy - slupky Přeskoky - uvolnění energie
Kvantově mechanický model Současné pojetí Kvantová čísla Orbitaly Spin
Jádro atomu Velikost proti atomu zanedbatelná Složení: protony a neutrony souhrnně: nukleony protonové číslo Z nukleonové číslo A Neutrální atom - počet protonů a elektronů je stejný
Jádro atomu Nuklid = látka se stejným Z i A Izotop = stejné A, různé Z
Jádro atomu Srovnání částic částice elektrický náboj hmotnost hmotnost oproti elektronu proton + e 1,007 277 u 1 835 neutron 0 1,008 665 u 1 838 elektron - e 0,000 548 u 1 e - elementární náboj 0,000 000 000 000 000 000 160 2 C (1,602 10-19 C) u - atomová hmotnostní jednotka u = 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg (1,67 10-27 kg)
Jádro atomu Kdyby bylo atomové jádro velké jako pingpongový míček uprostřed Václavského náměstí, jeho elektronový obal by se koupal ve Vltavě.
Jaderné síly Drží protony a neutrony pohromadě Přitažlivé (na krátkou vzdálenost odpudivé) Krátký dosah Výběrové - jen na nukleony Největší přírodní jádro - Uran Hmotnostní schodek E = mc 2
Radioaktivita samovolná přeměna nestabilních atomových jader uvolnění energie - ionizující záření
Záření alfa Svazek rychle letících jader helia He (helionů) Snadno stínitelné (list papíru) Reaguje na elektrické i magnetické pole Nebezpečí při vdechnutí 226 Ra 222 Rn + α 88 86 24 4 2
Záření beta Svazek rychle letících elektronů e - Stínitelné ( plech ) Reaguje na elektrické i magnetické pole Nebezpečí při dlouhodobém vystavení 234 91Pa 234 92 U + 0 1 e 1 0n 1 1 p + 0 1 e
Záření gama Svazek rychle letících fotonů ( záření s λ < 300 pm ) Těžko stínitelné (silná vrstva olova) Nereaguje na elektrické ani magnetické pole Nebezpečné
Neutronové záření Svazek rychle letících neutronů Stínitelné lehkými prvky Nereaguje na elektrické ani magnetické pole uměle vyvolané
Radioaktivita Poločas rozpadu Dávkový ekvivalent jednotka Sievert (Sv) limit 1 msv/rok smrt: 1 Sv Černobyl: 7 Sv Srovnání rizik Ozáření 1 msv Vykouření 30 cigaret Ujetí 5000 km autem v běžném provozu Riziko je stejné!!!
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita Kosmické záření 14% medicína 11% Spad z testů jaderných zbraní 0,30% jiné (z toho výpusti z jaderných Instalací činí 0,04 %) 0,13% radon v domech (průměr) 49% Záření z půdy a hornin 17% Přírodní radionuklidy v lidském těle 9%
Přirozená radioaktivita Přírodní zdroje: 1. Kosmické záření - ze Slunce a z hlubin vesmíru. Některé složky vznikají v atmosféře Země srážkami s primárním kosmickým zářením. Dávka od kosmického záření roste s nadmořskou výškou. 2. Rozpadem radia v zemské kůře vzniká radioaktivní plyn radon, který z podloží proniká do domů nebo do pitné vody. Radon je zářičem alfa, záření tedy není nebezpečné pro povrch našeho těla. Nebezpečné je vdechování tohoto plynu, neboť dceřiné produkty vzniklé přeměnou radonu se mohou usadit v plicích a způsobit tak ozáření nechráněné plicní tkáně. 3. Zemská kůra obsahuje přírodní radioaktivní prvky, nejčastěji uran, thorium, radium. 4. Významným přírodním radioizotopem je izotop draslíku 40 K. Obsahují ho takřka všechny potraviny i naše vlastní tělo. Přírodní radionuklidy obsahuje i vzduch a voda. Umělé zdroje: 5.Televizní nebo počítačové obrazovky, svítící ciferníky hodinek a přístrojů, průmyslové zářiče používané v defektoskopii, ke sterilizaci nebo ve výzkumu. 6. Z umělých zdrojů záření představují největší podíl lékařské aplikace - použití záření a radionuklidů při vyšetření nebo při léčení např. rakoviny. 7. Jaderné elektrárny, výrobny paliva, přepracovací závody a úložiště jaderného odpadu přispívají k celkovému průměrnému ozáření asi setinou procenta.
Přirozená radioaktivita Čechy Irán (Ramsar) Indie (Kerala) Brazílie (Guarapari) - cca 3 msv/rok - až 400 msv/rok - až 17 msv/rok - až 175 msv/rok
Přirozená radioaktivita Přírodní pozadí 175 msv/rok Guaraparí, Brazílie
Přirozená radioaktivita Přírodní pozadí 400 msv/rok Ramsar, Irán Pomeranč 4 mikrosv/h U obyvatele doma 121 mikrosv/h (v ČR je cca 0,2 mikrosv/h)
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita Spaní vedle druhé osoby Bydlení jeden rok 75 km od jaderné elektrárny Snědení jednoho banánu Bydlení jeden rok 75 km od uhelné elektrárny Rentgen ruky Roční používání starého monitoru (CRT) Rentgen zubu Průměrná denní dávka z přírodního pozadí Rentgen hrudníku Let z NY do LA Bydlení jeden rok v domě z kamene nebo betonu Celková střední dávka od havárie Three Mile Island pro obyvatele bydlícího15 km od elektrárny Roční dávka od draslíku (biogenní prvek obsahující izotop 40 K) obsaženého v lidském těle Povolený roční limit pro ozáření jednotlivce z veřejnosti nad dávku z přírodního pozadí 0,05 mikro Sv 0,09 mikro Sv 0,1 mikro Sv 0,3 mikro Sv 1 mikro Sv 1 mikro Sv 5 mikro Sv 10 mikro Sv 20 mikro Sv 40 mikro Sv 70 mikro Sv 80 mikro Sv 390 mikro Sv 1 000 mikro Sv = 1 msv
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita 10 µsv/h 5 µsv/h 1 µsv/h 0,1 µsv/h 0,03 µsv/h
Ochrana před radioaktivitou Zkoušky jaderných zbraní Uložení radioaktivních odpadů Jaderné havárie: Černobyl ( 1986 / INES 7 ) Fukušima ( 2011 / INES 7 ) Three Mile Island ( 1979 / INES 6 )
Ochrana před radioaktivitou Detekce - dozimetry Dostatečná vzdálenost Čas Stínění
Využití radioaktivity Radiouhlíková metoda v archeologii Defektoskopie v průmyslu Sterilizace a konzervace v potravinářství Požární hlásiče Diagnostika v medicíně Ozařování v medicíně
Jaderné reakce Uměle vyvolaná změna jádra atomu Transmutace - přeměna na "blízký" prvek
Jaderné reakce Vyvolání: helion, elektron, foton, neutron, proton Dva typy: Jaderné štěpení Jaderná fúze
Jaderné štěpení Rozbití velkého jádra prvku na dvě menší jádra (odštěpky) jiných prvků Uvolnění energie
Řetězová reakce Jen konkrétní izotopy Štěpení pomalým uranem
Řetězová reakce Neregulovaná - atomové bomby Obohacení kolem 80% Je třeba nadkritické množství 1. použití: projekt Manhattan 1945
Řetězová reakce Regulovaná - reaktory Regulace - bor a oxid boritý Zpomalování moderátorem Obohacení kolem 5% První reaktor 1942 Chicago
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna ČR: Temelín (2.110 MW) a Dukovany (2.040 MW) Virtuální prohlídka JETE zde Podíl: 20,4% Problém - použité palivo
Jaderný reaktor Budova reaktoru - kontejnment (1,2 m) Reaktor 11 m vysoký a 4,5 m průměr Tlak 15,7 MPa, teplota 320 C Aktivní zóna: 3 m vysoká a 3 m průměr
Jaderný reaktor Palivo: uran 235 163 palivových souborů a 61 klastrů každý palivový soubor 312 proutků Celková vsázka 92 tun
Jaderný reaktor
Termojaderná fúze Slučování lehkých prvků Uvolnění velkého množství energie Slunce Problémy: dostat jádra k sobě Vysoká teplota
Termojaderná fúze Termonukleární bomba Tokamak