Spis treści

Odkrycie jądra atomowego........................................................................................................................2

Model atomu Thomsona........................................................................................................................3
Eksperyment Rutherforda......................................................................................................................3

Budowa jądra atomowego..........................................................................................................................4

Model kroplowy....................................................................................................................................4
Model powłokowy.................................................................................................................................4
Modele kolektywne...............................................................................................................................5

Siły jądrowe...............................................................................................................................................5

Oddziaływanie silne..............................................................................................................................6

Związek relatywistyczny między masą, pędem i energią cząstki..............................................................6
Kształty i rozmiary jąder............................................................................................................................8
Spin i moment magnetyczny jądra atomowego.........................................................................................8
Ładunek i moment elektryczny jądra.........................................................................................................8
Prawo rozpadu promieniotwórczego..........................................................................................................8
Rodziny promieniotwórcze........................................................................................................................9

Szereg uranowo – radowy...................................................................................................................10
Szereg uranowo-aktynowy..................................................................................................................10
Szereg torowy......................................................................................................................................10
Szereg neptunowy...............................................................................................................................10

Równowaga wiekowa..............................................................................................................................11
Przemiana alfa, własności cząstek alfa....................................................................................................11
Oddziaływanie cząstek alfa z materią......................................................................................................12
Teoria przemiany gamma.........................................................................................................................12
Promieniowanie gama..............................................................................................................................13
Oddziaływanie promieniowania gamma z materią..................................................................................13
Przemiana beta.........................................................................................................................................13

Rozpad beta minus..............................................................................................................................14
Rozpad beta plus.................................................................................................................................14

Promieniowanie beta................................................................................................................................14
Neutrino i jego właściwości.....................................................................................................................14

Oddziaływanie neutrin........................................................................................................................15

Odkrycie neutrina.....................................................................................................................................15
Reakcja jądrowa.......................................................................................................................................18
Energia reakcji jądrowej, energia progowa reakcji..................................................................................19

Przyczyny uwalniania się energii jądrowej.........................................................................................19
Energia jądrowa w naturze..................................................................................................................19
Energia progowa..................................................................................................................................19

Reaktor jądrowy.......................................................................................................................................20

Podział wg rodzaju reakcji jądrowej...................................................................................................20
Podział według chłodziwa...................................................................................................................20
Podział według generacji.....................................................................................................................21
Podział według przeznaczenia.............................................................................................................21
Budowa reaktora..................................................................................................................................21
Sterowanie reaktorem..........................................................................................................................22

1

Odprowadzanie wytworzonej energii..................................................................................................22
Paliwo..................................................................................................................................................22

Bomba jądrowa........................................................................................................................................22
Bomba termojądrowa...............................................................................................................................23

Zasada działania..................................................................................................................................23
Typy ładunków termojądrowych.........................................................................................................23

Odkrycie i własności protonu..................................................................................................................24

Historia odkrycia.................................................................................................................................24

Odkrycie i własności neutronu.................................................................................................................25

Odkrycie..............................................................................................................................................25
Własności neutronu.............................................................................................................................25

Synteza lekkich jąder, reaktor termojądrowy...........................................................................................26
Reaktor termojądrowy..............................................................................................................................27

Inercyjne uwięzienie plazmy...............................................................................................................27
Magnetyczne uwięzienie plazmy........................................................................................................28

Sztuczna promieniotwórczość..................................................................................................................28
Rozszczepienie jądra atomowego............................................................................................................28
Łańcuchowe reakcje jądrowe...................................................................................................................29

Warunki zachodzenia reakcji łańcuchowej.........................................................................................29

Efekt Mossbauera.....................................................................................................................................30
Tworzenie par pozytono-elektronowych..................................................................................................30

2

Odkrycie jądra atomowego

W 1909 roku odbył się najważniejszy eksperyment przeprowadzony przez Rutherforda i jego
współpracowników. Hans Geiger i Ernest Marsden ostrzelali cienką folię promieniowaniem alfa.
Według uznawanego wówczas modelu Thomsona, cząstki alfa powinny przechodzić prosto lub
zmieniając nieznacznie kierunek ruchu, ale nie mogą odbijać się od atomów. Okazało się, że znaczna
cześć cząstek alfa przechodzi bez zmiany kierunku ruchu, ale cześć cząstek odbijała się od folii.
Odkrycie umożliwiło zbudowanie nowego modelu(modelu atomu Rutherforda), w którym atom składa
się z niewielkiego, w stosunku do rozmiarów atomu, jądra skupiającego większość masy atomu i jego
ładunek dodatki oraz powiązanych z jądrem elektronów, które miałyby równoważyć ładunek jądra.

Model Rutherforda działał całkiem dobrze do momentu prowadzonych przez Franca Rasetti'ego na
Caltech badań nad spinem. Od roku 1925 wiadomo było, że elektrony i protony mają spin równy ½,
więc zgodnie z modelem Rutherfoda jądro atomi powinno mieć spin 1/2(20 cząstek równoważyło swój
spin, więc dwudziesta pierwsza zmieniała spin na ½). Jednak Rasetti odkrył, że jądro azotu ma spin
równy 1.

Model atomu Thomsona

Zwany także modelem „ciastka z rodzynkami” - model atomu zaproponowany przez brytyjskiego
fizyka J. J. Thomsona. W modelu tym Thomson założył, że każdy atom jest zbudowany z jednorodnej
kuli naładowanej dodatnio, wewnątrz której znajdują się ujemnie naładowane elektrony.
Załóżmy, ze rozpatrywany jest atom, w którym znajdują się trzy elektrony. Te trzy elektrony
znajdujące się wewnątrz kuli w sposób symetryczny względem środka, czyli tak, aby była zapewniona
równowaga sił elektrostatycznych między nimi a dodatnio naładowaną kulą. Przy czterech elektronach
ułożeniem takim będzie rozmieszczenie elektronów w wierzchołkach czworościanu foremnego. Jednak
układ ten zapewnia równowagę tylko wówczas, gdy liczba elektronów jest niewielka. Aby rozwiązać
ten problem, Thomson przyjął, że gdy elektronów w atomie jest dostatecznie dużo, dzielą się one na
grupy, które układają się na płaszczyznach współśrodkowych z dodatnio naładowaną kulą. Mimo tych
założeń po przekroczeniu pewnej liczby elektronów zagadnienie stawało się zbyt skomplikowane
matematycznie, aby można było przeprowadzić dokładne obliczenia.

3

Eksperyment Rutherforda

Eksperyment polegał na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa i
obserwacji charakteru rozkładu kątowego przechodzących przez nią cząstek alfa, co pozwoliłoby
określić strukturę budowy atomu. Już wówczas wiedziano, że promieniowanie alfa to po prostu atomy
helu pozbawione elektronów, w tym eksperymencie uzyskiwane z radioaktywnego radonu. Przyrząd do
badania zjawiska zawierał źródło tych cząstek w ołowianym pojemniku z niewielkim otworem
skierowanym na złotą folię. Podczas eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod różnymi
kątami do pierwotnego kierunku promieni alfa. Detektorem tym był ekran pokryty siarczkiem cynku.
Obserwacja ekranu przez lupę umożliwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka alfa trafiała w scyntytator.

Idea była prosta: cząstka alfa leci w kierunku złotej folii, przechodząc przez atom, oddziałuje z
elektronami które nieznacznie zmieniają kierunek jej biegu, następnie uderza ona w ekran, który w tym
miejscu na moment rozbłyska. Eksperymentatorzy wyznaczają zależność liczby cząstek od kąta
rozpraszania, uzyskując w ten sposób informację o nierówności rozkładu ładunku w atomie, w tym i o
liczbie elektronów w atomie.

Wg teorii Thomsona cząstki te powinny przejść przez złotą folię jak „przez masło”. Ku zaskoczeniu
eksperymentatorów okazało się jednak, że 1 cząstka na około 8000 wystrzelonych odbija się od złotej
folii. Rutherford zareagował na tę wiadomość słynnym zdaniem: „To było chyba najbardziej
niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru,
wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego.

Rutherford, pomysłodawca tego eksperymentu, przystąpił teraz do rozwiązania zagadki. Dopiero na
początku 1911 roku(po 18 miesiącach) opublikował rozwiązanie problemu. Atom w ogromnej
większości jest pusty. W środku atomu jest duże jądro(w porównaniu do elektronu), a dużej odległości,
po ściśle określonych orbitach, krążą niewielkie elektrony. Tylko w ten sposób można wytłumaczyć
występujące te rzadkie odbicia masywnej cząstki alfa: odbijała się ona tylko w przypadku trafienia w
jądro atomu złota.

Budowa jądra atomowego

Jądro atomowe to konglomerat cząstek elementarnych będący centralną częścią atomu zbudowany z
jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami.

4

Model kroplowy

Jednym z pierwszych modeli budowy jądra był model kroplowy. Zakłada on, że nukleony w jądrze
zachowują się jak cząstki w cieczy i w związku z tym własności jądra jako całości powinny być
podobne do własności kropli cieczy. Mikroskopowe oddziaływania, oddziaływanie silne jądrowe oraz
siły elektrostatyczne są w tym modelu przedstawiane przez analogię do sił lepkości i napięcia
powierzchniowego. Najważniejszym założeniem modelu jest to, że jądra są kuliste. Przez analogię do
energii kropli cieczy, w tym modelu energię wiązania jąder atomowych oblicza się z uwzględnieniem
poprawki na wysycenie się sił jądrowych wraz z sześcianem odległości.

Otrzymane w ten sposób wzory przewidują stałą energię wiązania na jeden nukleon dla jąder lekkich i
mniejszą dla jąder o dużej masie. Prowadzi to do wniosku, że w dużych jądrach może następować
rozdzielenie się na dwa fragmenty, co wyjaśnia zjawisko rozszczepienia jąder atomowych ciężkich
pierwiastków. Model ten jest bardzo przybliżony i nie wyjaśnia wszystkich własności jąder.

Model powłokowy

Powłokowy model jądra atomowego powstał na zasadzie analogii do powłokowego modelu atomu i
zgodnie z obserwacjami poziomów wzbudzenia jąder atomowych zakłada, że nukleony nie mogą
wewnątrz jądra przyjmować dowolnych stanów energetycznych, lecz tylko te zgodne z energiami
kolejnych powłok. Każdą powłokę można zajmować określona liczba nukleonów. Kiedy zostanie ona
wypełniona, energia wiązania dla pierwszego nukleonu na kolejnej powłoce jest wyraźnie mniejsza.
Model zakłada, że nukleony poruszają się w jądrze prawie niezależnie, a oddziaływanie nukleonu z
pozostałymi nukleonami można zastąpić oddziaływaniem tego nukleonu ze średnim polem działającym
na niego. W modelu należy określić rozkład pola w jądrze, tak by poziomy wzbudzeń jądra
odpowiadały danym doświadczalnym.

Model wyjaśnia odstępstwa energii wiązania jąder od energii określonej w modelu kroplowym.
Wyjaśnia też istnienie „liczb magicznych”: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 dla których jądra atomowe są
najstabilniejsze. Jeżeli jądro ma jeden nukleon mniej lub więcej, to energia wiązań jest w nim wyraźnie
mniejsza.

Ciekawą cechą modelu powłokowego jądra jest istnienie oddzielnych powłok dla neutronów i
protonów. Jeżeli jednocześnie zarówno liczba neutronów jak i liczba protonów jest równa liczbie
magicznej, to jądro jest „podwójnie magiczne”(np. Hel) i cechuje je wyjątkowa trwałość. Wartości
liczby magicznych są pewne tylko do 82. Istnieją hipotezy, według których liczby 126 i 184 są
magiczne dla neutronów, a 114 dla protonów.

Jednym z postulatów wynikających z powłokowego modelu jądra atomowego jest istnienie wyspy

5

stabilności. Fizycy jądrowi wysunęli hipotezę, że jądro o liczbach atomowych powyżej 184 mogą mieć
znacznie większe okresy półrozpadu od większości transuranowców. Najnowsze badania nad syntezą
jąder o liczbie atomowej 116 wskazują na zwiększającą się ich trwałość.

Model powłokowy odnosi się również do zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Zauważono
zależność poziomów energetycznych jąder o spinie połówkowym od natężenia zewnętrznego pola
magnetycznego.

Modele kolektywne

Modele te zakładają, że nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie
nukleonów. Według tych modeli nukleony łącząc się w grupy tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra.
Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja bozonów. Opiera się ona na analogii do zjawisk
kwantowych występujących w nadprzewodnikach. Cząstki elementarne łączą się w pary uzyskując
nowe włąsności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym
spinem 0, 2 lub 4. Istnieją dwa warianty tego modelu, czyli IBM-I i IBM-II(ang. interacting boson
model, IBM).

Siły jądrowe

Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są
równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania sine działają jednak tylko
na bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder. Przy większych odległościach
przeważają siły odpychania elektrycznego.

Oddziaływanie silne

Jest jednym z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Spośród cząstek elementarnych Modelu
Standardowego silnie oddziałują tylko kwarki, antykwarki i gluony. Oddziaływanie to wiąże kwarki w
obrębie hadronów(a więc i np. w obrębie protonu i neutronu).
Zgodnie z chromodynamiką kwantową, każdy kwark przenosi ładunek koloru o jednej z możliwych
wartości: czerwony, zielony lub niebieski. Te nazwy są często umowne i nie mają nic wspólnego ze
zwykłymi kolorami, które postrzegamy wzrokiem. Każdy antykwark przenosi z kolei antykolor i może
być odpowiednio: antyczerwony, antyzielony lub antyniebieski. Cząstki mogą istnieć samodzielnie
jedynie jeśli mają neutralny kolor(a więc kwarki nie mogą istnieć samodzielnie) – najprostsze i jedyne
o potwierdzonym występowaniu kombinacje kwarków spełniające ten warunek to cząstka złożona z
kwarków czerwonego, zielonego i niebieskiego(barion), analogiczna kombinacja

6

antykwarków(antybarion) albo cząstka złożona z kwarka i antykwarka posiadającego odpowiedni w
stosunku do kwarka antykolor(taka cząstka nazywana jest mezonem).
Oddziaływanie silne zachodzi pomiędzy dwoma kwarkami poprzez wymianę cząstek zwanych
gluonami przenoszących jednocześnie ładunki kolorowe i antykolorowe. Istnieje osiem różnych
gluonów.
Oddziaływanie silne ma także zaskakującą właściwość: jego siłą rośnie wraz ze wzrostem odległości
między kwarkami. Ten efekt uniemożliwia obserwację niezwiązanych kwarków. Gdy rośnie odległość
między dwoma kwarkami, rośnie też siła, a więc i energia oddziaływania. Jeśli odległość/energia stanie
się wystarczająco duża, mogą powstać nowe kwarki. Początkowe dwa kwarki zostaną odseparowane,
ale na miejscu partnera pojawi się nowy kwark lub antykwark. Jest to powód, dla którego kwarki
można obserwować w postaci związanej, nigdy osobno.

Związek relatywistyczny między masą, pędem i energią cząstki

Pamiętając, że p = m*v oraz, że

E=m∗c

2

możemy podnosząc te równości do kwadratu zapisać

zależność:

p

2

=

m

2

∗

v

2

=

E

2



c

4



∗

v

2,

czyli v

2

=

p

2

∗

c

2

E

2

p=m∗v=

m

0



1−

v

2

c

2

∗

v

Podnosząc powyższe do kwadratu:

p

2

∗

c

2

=



m

0

2

∗

c

2



p

2

∗

p

2

∗

c

4

E

2

Co można zapisać w postaci:

E

2

=

m

0

2

∗

c

4



p

2

∗

c

2

lub:

m

0

2

∗

c

4

=

E

2

– p

2

∗

c

2

Wzory te są podstawowymi wzorami dynamiki relatywistycznej. Wzór 10.34 zawiera z lewej strony
kwadrat masy spoczynkowej – wielkość, która ma tę samą wartość w każdym układzie odniesienia i

7

stałą w każdym układzie wartość c^4. Wartość wyrażenia z prawej strony także więc musi być
niezależna od ruchu układu, czyli jest taka sama w każdym układzie inercjalnym i jest niezmiennicza
względem transformacji Lorentza. Wielkość ta nosi więc nazwę masy niezmienniczej. Wzór 10.34
pozwala na identyfikację cząstek w procesach zachodzących przy wysokich energiach przez pomiar ich
pędu i energii.

Dla dwóch poruszających się względem siebie układów inercjalnych mamy na podstawie 10.34
zależność: E

2

– p

2

∗

c

2

=

E '

2

−

p'

2

∗

c

2

Zapisując kwadrat pędu w postaci:

p

2

=

p

x

2



p

y

2



p

z

2

Możemy jeszcze inaczej wyrazić związek 10.34:

E

2

c

2

– p

x

2

– p

y

2

– p

z

2

=

const

lub





E

2

c

2

– p

x

2

−

p

y

2

−

p

z

2

=

const

Co oznacza stałość w różnych układach odniesienia powiązanych transformacją Lorentza, długość
czterowektora o składowych określonych przez energię i składowe pędu. Czterowektor ten nazywa się
czterowektorem pędu.
Transformacja pędu i energii zgodnie z transformację Lorentza, długość czterowektora o składowych
określonych przez energię i składowe pędu. Czterowektor ten nazywa się czterowektorem pędu.
Transformacja pędu i energii zgodnie z transformacją Lorentza ma podobną postać do transformacji
współrzędnych i czasu.

p

x

=

p '

x

, p

y

=

p '

y

, p

z

=



p '

z

∗

E

'

c





1−

2

,

E

c

=



E

'

c

∗

p '

z





1−

2

8

Kształty i rozmiary jąder

Jądro atomowe bada się analizując samorzutne rozpady orz rozpraszając na jądrach
cząstki(promieniowanie gamma, elektrony, neutrony, protony itp.), na podstawie charakterystyki
rozpraszania. Stwierdzono, że większość jąder ma kształt zbliżony do kuli, a niektóre są owalne.
Gęstość obszarów wewnątrz jąder jest jednakowa i szybko spada do zera w odległości od środka, którą
określamy jako promień jądra.

Jądra mają rozmiary rzędu

10

−

14

−

10

−

15

co stanowi około jedną stutysięczną rozmiaru atomu.

Jednak to w jądrze skupione jest ponad 99.9% masy atomu. Istnieje prosta zależność pozwalająca
oszacować rozmiary jąder atomowych z wyjątkiem kilku najlżejszych pierwiastków:

R=1.2∗10

−

15

∗

A

1
3

, gdzie A – liczba masowa, R – promień jądra, m- metr

Wzór ten wynika z założeń modelu kroplowego.

Spin i moment magnetyczny jądra atomowego

Nukleony mają spin ½ : s=

1
2

Całkowity kręt nukleonu to:

j=ls ;

Spin jądra to suma krętów nukleonów: I =

∑

 

l

i

 

s

i



Dla jąder parzysto-przystych, yj. Z i N parzyste I = 0
Dla jąder nieparzystych, tj. A nieparzyste I = ½, 3/2 ... - połówkowe
Dla jąder nieparzysto- nieparzystych I jest całkowite
Powyższe wartości spinów interpretuje się następująco:

●

Istnienie zerowych spinów jąder parzysto-parzystych oraz połówkowych jąder nieparzystych
uważa się za dowód dwójkowania identycznych nukleonów w pary o całkowitym kręcie
równym zero.

●

Istnienie całkowitych niezerowych spinów jąder nieparzysto-nieparzystych uważa się za
argument braku dwójkowania różnych nukleonów.

●

9

Prawo rozpadu promieniotwórczego

Rozpad promieniotwórczy, to zachodząca samorzutnie przemiana jądrowa: alfa, beta lub gamma w
wyniku której następuje emisja odpowiednio cząstki alfa, elektronu bądź pozytonu lub promieniowania
elektromagnetycznego(fotonu). Samorzutny charakter rozpadów promieniotwórczych oznacza, że
rozpad danego jądra nie jest powodowany żadnymi czynnikami zewnętrznymi i nie zależy od jego
wcześniejszych losów. To, czy w danym momencie czasu nastąpi rozpad danego jądra możemy opisać
jedynie z pomocą pojęć statystycznych określając prawdopodobieństwo takiego rozpadu.
Rozpady poszczególnych jąder następują niezależnie od siebie. Liczba jąder, które ulegną rozpadowi w
krótkim przedziale czasu proporcjonalna jest do liczby jąder N i do długości przedziału czasu, dt:

dN =−∗B∗dt

gdzie  jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą rozpadu. Znak minus we wzorze
oznacza, że liczba jąder ulegająca rozpadowi dN, odejmuje się od liczby jąder N. Dzieląc obie strony
tego wzoru przez N uzyskujemy równanie różniczkowe, które można łatwo scałkować:

dN

N

=−∗

dt lnN =−∗tlnC  N t=C∗e

−∗

t 

gdzie C jest stałą całkowania. Oznaczając przez N

0

liczbę jąder w chwili początkowej, tj. dla t=0

możemy wyznaczyć stałą całkowania: N 0= N

0



C=N

0

. Liczba jąder, które nie rozpadły się w

czasie t wynosi więc:

N t =N

0

∗

e

−∗

t 

Liczba jąder, które uległy rozpadowi w czasie t wynosi:

N

0

– N t=N

0

∗

1−e

−∗

t 



Średni czas życia jądra promieniotwórczego theta równy jest odwrotności stałej rozpadu:

theta=

1


Czas w którym rozpadowi ulega połowa początkowej liczby jąder nazywany jest czasem połowicznego
zaniku. Czas ten wyznaczyć można ze związku:

N

0

2

=

N

0

∗

e

−∗

T 



T =

ln2



=

ln2∗theta

Liczba rozpadów zachodzących w jednostce czasu w źródle promieniotwórczym nosi nazwę
aktywności A. Aktywność źródła określona jest więc jako stosunek liczby rozpadów w danym
przedziale czasu do wielkości tego przedziału.

A=∣dN



t

dt

∣=∗

N t =∗N

0

e

−∗

t 

Jednostką aktywności jest bekerel(Bq). Jeden bekerel, to aktywność źródła, w którym zachodzi jeden
rozpad na sekundę. Zanik aktywności źródła określony jest przez prawo rozpadu promieniotwórczego.

10

Rodziny promieniotwórcze

Szereg(rodzina) promieniotwórczy – szereg nuklidów promieniotwórczych przekształcających się
kolejno jedne w drugie na drodze rozpadów promieniotwórczych. Kolejne produkty rozpadów
promieniotwórczych tworzą szereg, który rozpoczyna się izotopem promieniotwórczym o długim
okresie półtrwania, a kończy izotopem trwałym(niepromieniotwórczym).
Przemiany jądrowe zachodzące w szeregach to przemiany typu alfa alpha i beta



minus

. W

pierwszym przypadku następuje przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym o dwa miejsca w
lewo(zmniejszenie liczby atomowej o 2 i liczby masowej o 4)., w drugim przypadku o jedno miejsce w
prawo( wzrost liczby atomowej o 1 i brak zmiany liczby masowej). Zasady te, wyrażają tzw. prawo
przesunięć Soddy'ego i Fajansa z 1913 – mające dziś już tylko charakter historyczny.
O tym, do którego szeregu należy dany nuklid decyduje jego liczba masowa A. W rozpadzie
promieniotwórczym liczba masowa zmienia się o 4 poprzez emisję cząstki alpha ; można to
przedstawić wzorem:
A = 4n + m, gdzie n – liczba całkowita, m- przyjmuje wartości 0,1,2,3.
W ten sposób otrzymuje się 4 szeregi promieniotwórcze:

●

występujące naturalnie w przyrodzie

○

(m=2) uranowo-radowy – U

238



Pb

206

○

(m=3) uranowo-aktynowy = U

235



Pb

207

○

(m=0) torowy – Th

232



PB

209

●

sztuczny

○

(m=1) neptunowy – Np

237



Bi

209

Szereg uranowo – radowy

Szereg rozpoczyna się izotopem uranu U

238

o okresie półtrwania wynoszącym 4.5mld lat, a kończy

na stabilnym ołowiu Pb

206

. Szereg opisuje wzór 4n + 2 i należy do niego 16 nuklidów, m.in.

U

238,

U

234,

Ra

226,

Rn

222,

Po

210,

Pb

210

Szereg uranowo-aktynowy

Szereg rozpoczyna się izotopem uranu U

235

o okresie półtrwania wynoszącym 700 milionów lat, a

kończy się na stabilnym ołowiu Pb

207.

Szereg opisuje wzór 4n + 3 i należy do niego 14 nuklidów,

m.in. U

235,

Pa

231,

Ra

223

.

Szereg torowy

Szereg rozpoczyna się izotopem toru Th

232

o okresie półtrwania wynoszącym 14mld lat, a kończy

stabilnym ołowiem Pb

208

. Szereg jest opisany wzorem 4n + 0, należy do niego 12 nuklidów, m.in.

Th

232,

Th

228,

Ra

228,

Rn

220.

11

Szereg neptunowy

Szereg rozpoczyna się izotopem neptunu Np

237

o okresie półtrwania 2.1 miliona lat, a kończy się na

stabilnym bizmucie Bi

209

. Szereg opisany jest wzorem 4n + 1 i należy do niego 13 nuklidów,

między innymi: Np

237,

U

233,

Th

229

.

Szereg neptunowy występuje jedynie w wyniku sztucznego otrzymywania(naświetlanie uranu
strumieniem neutronów). Okres półtrwania neptunu jest około 2000 razy krótszy od wieku Ziemi przez
co zostały jedynie niewykrywalne jego ilości. Obecnie w rudach uranowych występuje go ok.

1.8∗10

−

12

(2 atomy neptunu na bilion atomów uranu).

Równowaga wiekowa

Stan równowagi izotopu macierzystego i izotopu pochodnego, zachodzący wtedy, gdy czas
połowicznego zaniku izotopu macierzystego jest większy od czasu połowicznego zaniku izotopu
pochodnego. W sytuacji gdy oba izotopy pozostają nie rozdzielone, po pewnym czasie szybkość
rozpadu izotopu pochodnego jest równa szybkości jego powstawania. W rezultacie oba izotopy
rozpadają się z tą samą prędkością, aż do wyczerpania izotopu macierzystego.

Przemiana alfa, własności cząstek alfa

Rozpad alfa – reakcja jądrowa rozpadu, w której emitowana jest cząstka alfa.(jądro helu). Strumień
cząstek alfa emitowanych przez rozpadające się jądro atomowe nazywa się promieniowaniem alfa.
Reakcja rozpadu jądra atomu uranu-238

U

92

238



Th

90

234



He

2

4

Ogólnie:

X

Z

A



Y



Z −2



A−4 



He

2

4

W wyniku rozpadu alfa powstające jądro ma mniejszą o 2 liczbę atomową a liczbę masową mniejszą o
4 w porównaniu z rozpadającym się jądrem.
Spośród izotopów spotykanych w naturze wiele jąder należących do łańcuchów uranowego oraz
torowego jest emiterami cząstek alfa. Natomiast spośród promieniotwórczych jąder atomowych(także
wytworzonych syntetycznie) rozpadowi alfa ulegają głównie jądra cięższe – powyżej masy 200, ale
także wśród pierwiastków ziem rzadkich oraz bardzo egzotycznych izotopów cyny, telluru i
ksenonu(okolice masy 100).
Emitowane cząstki mają zazwyczaj energię kinetyczną około 5MeV, co odpowiada prędkości
15000km/s. W rozpadzie alfa, cząstka alfa formuje się już w jądrze i jest równocześnie odpychana
siłami elektrostatycznymi i przyciągana oddziaływaniami silnymi pozostałej części jądra. W
niewielkiej odległości od jądra siły przyciągania jądrowego przeważają, ale dzięki kwantowemu
zjawisku tunelowania przenika przez wąską barierę potencjału.

12

Energia cząstek alfa emitowanych z danego atomu ma określoną wartość, ponieważ rozpad jest
dwuciałowy i prowadzi do określonych poziomów energetycznych powstającego jądra. W przypadku
niektórych radnionuklidów(Sg^265, Sg^266) możliwe jest rozpad alfa do kilku różnych poziomów
energetycznych jądra, dzięki czemu energie emitowanych cząstek alfa są również ściśle określone. W
taim przypadku udział cząstek alfa o danej energii zależy od prawdopodobieństwa zajęcia przez
powstające jądro odpowiadającego poziomu energetycznego.
Rozpad alfa jest dość powszechnym zjawiskiem w przyrodzie, odpowiada za niemal połowę
promieniotwórczości naturalnej skorupy ziemskiej. Zjawisko rozpadu alfa jest między innymi
wykorzystywane w konstrukcji czujników dymu, w których rozpadające się jądra pierwiastka
ameryk-241 emitują cząstki alfa pochłaniane przez dym.

Oddziaływanie cząstek alfa z materią

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane przez materię. Nawet kilka centymetrów powietrza
stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru lub naskórek
pochłania całkowicie promieniowanie alfa. Jednak spożywanie pokarmów lub wdychanie powietrza
zawierającego substancje wytwarzające promieniowanie alfa może być szkodliwe a nawet zabójcze.
Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka, wytwarzane przez niego cząstki alfa
bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej. Bardzo
silnym źródłem promieniowania alfa jest izotop polonu-210. Został on użyty do zabójstwa w 2006 roku
rosyjskiego dysydenta i byłego oficera FSB/KGB Aleksandra Litwinienki.

Teoria przemiany gamma

Jest to przemiana jądrowa, podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są
emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest drugi etap opisanego niżej rozpadu
kobaltu-60.
Najpierw Co^60 przekształca się w Ni^60 w wyniku przemiany beta:

Co

60

 ∋

60



e

−

1



v

e

Powstałe jądro niklu jest wzbudzone, czyli ma energię większą od energii takiego jądra w stanie
podstawowym. Po pewnym czasie jądro przechodzi do stanu podstawowego emitując dwa fotony o
dużej energii(1.17 i 1.33 MeV), będące kwantami promieniowania gamma:



¿



60



¿



60



1



2

Do emisji gamma dochodzi, jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii
wiązania ostatniego nukleonu. W przypadku gdy energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa od
energii wiązania ostatniego nukleonu, większość rozpadów jądra następuje poprzez emisję
nukleonu(lub nukleonów).
Promieniowanie gamma towarzyszy prawie każdej przemianie jądrowej, ale przemiany te nie są
określane jako przemiany gamma.
Badając energię i kierunki(pędy) składników rozpadu można określić czy rozpad odbywa się
jednoetapowo, czy jest to kilka następujących po sobie rozpadów.

13

Promieniowanie gama

Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za
promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu powyżej 50 keV. Zakres ten
częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. Promieniowania gamma
wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych lub zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a
promieniowanie rentgenowskie – wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub
i rozpraszaniu w polu jąder atomu.
Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Promieniowanie gamma
oznacza się grecką literą %gamma.
Źródłem promieniowania gamma może być reakcja jądrowa, nukleosynteza, anihilacja, rozpady
cząstek elementarnych, promieniowanie hamowania i promieniowanie synchrotronowe, odwrotne
rozpraszanie Comptora.

Oddziaływanie promieniowania gamma z materią

Promieniowanie gamma przechodząc przez materię jest pochłaniane(wielkość pochłaniania zależy od
energii promieniowania). Za pochłanianie promieniowania gama odpowiadają następujące zjawiska:

●

wewnętrzny efekt fotoelektryczny, w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię
elektronom, odrywając jest od atomów lub przenosząc się na wyższe poziomy energetyczne;

●

rozpraszanie komptonowskie – elektrony słabo związane lub swobodne doznają przyśpieszenia
w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje
niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami
kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez
promieniowanie gamma.

●

Kreacja par elektron-pozyton – kwant gamma, uderzając o jądro atomowe, powoduje powstanie
par cząstka-antycząstka(warunkiem zajścia zjawiska jest energia kwantu gamma > 1/02MeV –
dwukrotnej wartości energii spoczynkowej elektronu)

●

reakcje fotojądrowe – w tym oddziaływaniu promieniowanie gamma oddaje energię jądrom
atomowym, wzbudzając je i, przy odpowiednio wysokiej energii fotonu, produkując nowe
cząstki. Wzbudzone jądro atomowe może wypromieniować kwant gamma, ulec rozpadowi lub
rozszczepieniu. Przekrój czynny takiej reakcji jest zazwyczaj niewielki, może być jednak
rezonansowo zwiększony jeżeli energia kwantu gamma odpowiada dokładnie energii
wzbudzenia jądra.

Przemiana beta

Jeden ze sposobów rozpadu jądra atomowego. Jest to przemiana jądrowa, której skutkiem jest
przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżnia się
dwa rodzaje tego rozpadu: beta plus oraz beta minut. W wyniku tego rozpadu zawsze wydzielania jest
energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii rozpadu może zostać zmagazynowana w jądrze
w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania
gamma.

14

Rozpad beta minus

Rozpad beta minus polega na przemianie jądrowej, w wyniku której neutron zostaje zastąpiony
protonem. Oddziaływanie ma miejsce poprzez emisję bozonu pośredniczącego W minus przez jeden z
kwarków neutronu. W minus rozpada się następnie na elektron i antyneutrino elektronowe wg
schematu:
neutron rightarrow proton + elektron + antyneutrino
W rezultacie w wyniku rozpadu beta minus powstaje elektron i antyneutrino elektronowe. Rozpad beta
minus może zachodzić również dla swobodnego neutronu.

Rozpad beta plus

Rozpad beta plus polega na przemianie protonu w neutron wewnątrz jądra. Reakcja zachodzi poprzez
emisję bozonu W plus, który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe. Ogólnie równanie tej
przemiany ma postać:
(X_Z)^A rightarrow {Y_(Z-1)}^A + pozyton plus neutrino

Promieniowanie beta

Rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas
przemiany jądrowej. Nazwa ma znaczenie historyczne- powstała, by odróżnić to promieniowanie od
mniej przenikliwego promieniowania alfa.
Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta. W zależności od rodzaju tego rozpadu, jest ono
strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością porównywalną z prędkością
światła. Promieniowanie to jest silnie pochłaniane przez materię.
Promieniowanie beta jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa o porównywalnej energii,
natomiast jego absorpcja jest słabsza w porównaniu z promieniowaniem gamma. Zasięg
promieniowania beta zależny od energii elektronów i gęstości substancji pochłaniającej. Energia z
kolei zależy od rodzaju źródła.

Neutrino i jego właściwości

Cząstka elementarna, należąca do leptonów(fermionów o spinie ½). Ma zerowy ładunek elektryczny.
Neutrina występują jako cząstki podstawowe w Modelu Standardowym. Doświadczenia
przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że neutrina mają niewielką, bliską(ale nie równą) zeru
masę spoczynkową. Powstają m.in. w wyniku rozpadu beta plus.
Istnieją 3 stany zapachowe neutrin:

●

neutrino elektronowe

●

neutrino mionowe

●

neutrino taonowe

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik(antyneutrino) w antymaterii.
Antyneutrino elektronowe powstanie w trakcie rozpadu beta minus.

15

Neutrina, podczas propagacji w przestrzeni, mogą zmieniać swój rodzaj(zapach) – zjawisko to
nazywane jest oscylacją neutrin.
Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego
zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w
1930r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkłady energii
elektronów powstających w rozpadzie beta. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło
dopiero w roku 1956.
Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

Oddziaływanie neutrin

Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Oddziałują jedynie za
pośrednictwem oddziaływać słabych(i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety
nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody- przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony
prostopadle do Słońca co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin.
Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe(przekrój czynny na ten proces jest bardzo mały).
Inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się
w gigantycznych basenach z destylowaną wodą(bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko
pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.
Ostatnimi laty nastąpił olbrzymi rozwój fizyki neutrin dzięki takim eksperymentom jak KamLand,
Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, DONUT i MINOS.

Wiadomo obecnie, że uważane kiedyś za cząstki bezmasowe, neutrina mają niezerową masę
spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.
Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande określono różnicę
między zapachami neutron na około 0.04eV. Masa ta może być więc najniższą możliwą mają jednego z
rodzajów neutrin. Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych na 0.28eV.
Neutrina na Ziemi powstają m.in. wskutek oddziaływań promieni kosmicznych w górnych warstwach
atmosfery. Neutrina emitowane są także przez Słońce i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych
najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

Odkrycie neutrina

Stworzone w czasie rozpadu neutrino nie oddziałuje elektromagnetycznie, ani silnie jądrowo z materią
reaktora. Przy próbie detekcji neutrina trzeba zdać się na oddziaływanie słabe. Skoro neutrino rodzi się
dzięki oddziaływaniu słabemu, to najprawdopodobniej wpływa na otaczającą je materią również za
pomocą tego oddziaływania. W tym celu należy posłużyć się tzw. odwrotnym rozpadem beta. W
chemii często mamy do czynienia z reakcjami odwracalnymi, w których substraty możemy zastąpić
produktami, a produkty substratami. Skoro zachodzi rozpad beta, w którym neutron zmienia się w
proton, elektron i neutrino to być może możliwy jest proces odwrotny, w którym lecące neutrino
oddziałuje z protonem zawartym w jądrze atomu, a w wyniku oddziaływania powstaje neutron oraz
pozyton, który opuszcza jądro atomowe. Proces ten spełniał wszystkie znane zasady zachowania, więc
nie ma powodów, aby nie zachodził.

16

Mniej więcej w tym samym czasie co rozważania Bethego i Peierlsa(lata .30), Enrico Fermi posługując
się relatywistyczną mechaniką kwantową jako fundamentem, zapisał równania, które pozwalały na
przewidywanie własności reakcji wywołanych oddziaływaniem słabym. Równania te, pomimo że
oparte na dość ogólnych rozważaniach, które nie wnikały w naturę oddziaływania słabego, pozwalały
dokładnie odtworzyć spektrum elektronów produkowanych w rozpadzie beta. Ponadto równanie można
było zastosować do reakcji odwrotnego rozpadu beta i przewidzieć w ten sposób prawdopodobieństwo
jego zajścia. Okazało się, że jest ono wyjątkowo małe. Neutrino powstające w procesie rozpadu beta
może przeniknąć przez zbiornik o długości ok. 1000 lat świetlnych zanim zostanie zaabsorbowane w
odwrotnym rozpadzie beta. W latach 30-tych eksperyment, którym udałoby się wykryć odwrotny
rozpad beta wydawał się nie do przeprowadzenia.
Po II wojnie światowej Fried Reines i Clyde Cowan zaczęli pracować na odkryciem neutrina. Zdali
sobie sprawę, że produkty powstające w czasie procesu rozszczepienia uranu(pracowali wcześniej przy
projekcie Manhattan) są wyjątkowo wydajnym źródłem neutrin, rozpadają się bowiem bardzo szybko
w procesach beta. Źródło to jest o wiele rzędów wielkości wydajniejsze niż naturalne izotopy
promieniotwórcze, którymi dysponowali naukowcy w latach 30-tych. Bomba atomowa lub reaktor
jądrowy o dużej mocy wydawały się wręcz idealnymi narzędziami, które mogły posłużyć do wykrycia
neutrin. Reines i Cowan po długich rozważaniach i wstępnych pomiarach, które dawały dwuznaczny
wynik, postanowili posłużyć się reaktorem w Savannah River w Południowej Karolinie jako źródłem
neutrin. Detekcja ich miała natomiast opierać się na obserwacji przewidzianego 20 lat wcześniej
odwrotnego rozpadu beta. Był to rok 1955.
Jak zarejestrować odwrotny rozpad beta? W tym procesie neutrino oddziałuje z protonem zamieniając
go w neutron, przy czym następuje jednoczesna produkcja pozytonu. Jeśli reakcja zachodzi w ośrodku
materialnym, a nie w próżni to pozyton opuszczający obszar reakcji napotyka dość szybko na któryś z
elektronów ośrodka. Następuje anihilacja. W czasie anihilacji para cząstka-antycząstka zamieniana jest
na dwa fotony, które biegną w kierunkach niemalże przeciwnych. Podstawową oznaką zajścia
odwrotnego procesu beta jest więc pojawienie się dwóch rozbiegających się fotonów. Neines i Cowan
w swoim doświadczeniu postanowili skorzystać ze zbiornika(kilku) wypełnionego wodą. Odwrotny
proces beta polegałby więc na zamianie jednego z protonów zawartych w wodzie na neutron. Neutron
taki w wyniku oddziaływania zyskiwałby pewną energię kinetyczną i mógłby swobodnie poruszać się
w ośrodku. Swoboda ta byłaby ograniczona jednak poprzez atomy ośrodka, z którymi zderzałby się w
czasie ruchu, zmniejszając za każdym zderzeniem swoją energię. W końcu neutron stałby się bardzo
powolny. Powolne neutrony mają tendencję do bycia absorbowane przez jądro atomów ośrodka. W
wyniku absorpcji powstaje nowe jądro atomowe, które zazwyczaj jest w tzw. stanie wzbudzonym, czyli
zawiera pewną dodatkową porcję energii, która jest emitowana z jądra w postaci cząstek
światła(fotonów promieniowa gamma). Reines i Cowan dodali do wody chlorek kadmu, który
zapewniał wydajna absorpcję neutronów. Obliczyli, że od momentu zajścia odwrotnej reakcji beta do
momentu spowolnienia uwolnionego neutronu, jego absorpcji i emisji fotonów gamma przez powstałe
jądro mija okres ok. 15 microsekund. W wyniku reakcji pojawiłyby się dwa fotony rozbiegające się w
przeciwnych kierunkach pochodzące z anihilacji pozytonu oraz po upływie ok. 15 mikrosekund
dodatkowe fotony wytworzone w procesie wychwytu neutronu przez jądro atomowe. Aby odkryć
neutrina trzeba więc zarejestrować fotony pojawiające się w wyniku reakcji. Aby to zrobić zbiorniki
wodne zostały otoczone detektorami zbudowanymi z substancji scyntylacyjnej. W wyniku przejścia
przez nie wysokoenergetycznych fotonów powstałych w wodzie substancja ta zaczynała świecić.
Świecenie było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy umieszczonych na jej brzegach.
Tak przygotowany detektor został umieszczony ok. 10 metrów od rdzenia reaktora, od którego

17

oddzielała go osłona zatrzymująca wszystkie cząstki materii prócz neutrin. Dodatkowo nad detektor
znajdowała się specjalna kilkunastometrowa osłona redukująca wpływ promieniowania kosmicznego,
które stanowić mogło istotne tło dla badanego procesu. Eksperyment trwał ponad rok, po którym
Frederic Reines i Clyde Cowan oznajmili, ze ponad wszelką wątpliwość zaobserwowali błyski światła
odpowiadające odwrotnemu procesoi beta, który musiał być indukowany przez neutrina pochodzące z
reaktora.
Cząstka, którą tak naprawdę zaobserwował Reines i Cowan, to antyneutrino. Antyneutrina powstają w
wyniku rozpadu beta – zgodnie z dzisiejszą nomenklaturą. Jednak w momencie dokonywania odkrycia
cząstkę tą nazwano po prostu neutrinem. Neutrino od antyneutrina różni się skrętnością- neutrino jest
lewoskrętne, antyneutrino prawoskrętne.

Inne źródło:

W 1954 roku dwóch amerykańskich fizyków, Frederic Reines i Clyde Cowan, wykorzystując reaktor
jądrowy, postanowiło przeprowadzić pierwszą, bezpośrednią obserwację neutrin. Ich eksperyment
bazował na tak zwanej odwrotnej przemianie rozpadu beta, w której antyneutrino, oddziałując z
protonem ośrodka, produkuje neutron i pozyton:

- odwrotny rozpad beta

W doświadczeniu tym pozyton, oddziałując z jednym z elektronów, zawartych w detektorze, w
procesie anihilacji daje błysk światła. Błysk światła daje także neutron, który wyłapywany jest przez
jądro atomowe ośrodka. Eksperyment Reinesa i Cowana polegał na poszukiwaniach takich
dwukrotnych rozbłysków światła.
W odwrotnym rozpadzie beta neutrino oddziałuje z protonem, zamieniając go w neutron, przy czym
następuje jednoczesna produkcja pozytonu. Jeżeli reakcja taka zajdzie w ośrodku materialnym, a nie w
próżni, to pozyton, który opuści obszar reakcji, natrafi szybko na elektron ośrodka i nastąpi anihilacja.
W czasie anihilacji para cząstka - antycząstka zamieniona zostaje na dwie cząstki światła (dwa fotony),
które biegną w przeciwnych kierunkach. Podstawowym dowodem zajścia odwrotnego procesu beta jest
zatem pojawienie się dwóch rozbieżnych błysków światła.
Reines i Cowan skorzystali z kilku zbiorników wypełnionych wodą. Odwrotny proces beta w tym
eksperymencie miał polegać na zamianie jednego z protonów, zawartych w wodzie, na neutron.
Neutron w wyniku oddziaływania zyskiwałby pewną energię kinetyczną i mógłby swobodnie poruszać
się w całym ośrodku. Swoboda ta byłaby zakłócona w wyniku zderzeń z atomami ośrodka. W ten
sposób neutron zmniejszałby za każdym zderzeniem swoją energię i w końcu stałby się bardzo
powolny. Powolne neutrony mają tendencję do bycia absorbowanymi przez jądra atomów ośrodka. W
wyniku takich absorpcji powstają nowe jądra atomowe, które zazwyczaj są w stanie wzbudzonym,
czyli zawierają pewną dodatkową porcję energii emitowaną z jądra w postaci cząstek światła (fotonów
promieniowania gamma). Reines i Cowan dodali do wody chlorek kadmu, który miał zapewniać
bardziej wydajną absorpcję neutronów. W wyniku reakcji odwrotnego procesu beta pojawiały się dwa
fotony, które pochodziły z anihilacji i rozbiegały się w przeciwnych kierunkach oraz dodatkowe
fotony, które wytworzone zostały w procesie wychwytu neutronu przez jądro atomowe. Zatem aby
odkryć neutrina, trzeba było zarejestrować fotony pojawiające się w wyniku reakcji. Aby to zrobić,
zbiorniki wodne zostały otoczone detektorami zbudowanymi z substancji scyntylacyjnej. W wyniku

18

przejścia przez detektory wysokoenergetycznych fotonów, powstałych w wodzie, substancja
scyntylacyjna zaczynała świecić. Świecenie to było rejestrowane przez zestaw fotopowielaczy, które
umieszczono na jej brzegach.

Reakcja jądrowa

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych wywołane ich oddziaływaniem wzajemnym w
odległości odpowiadającej zasięgowi sił jądrowych bądź też ich oddziaływaniem z cząstkami
elementarnymi lub fotonami. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych
izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu danego pierwiastka w innym stanie
energetycznym. Oddziaływania jądrowe prowadzące do reakcji jądrowych nazywane są często
zderzeniami.
Reakcje jądrowe można ogólnie podzielić na:

●

reakcje syntezy, w których z jąder lżejszych powstają jądra o większej liczbie atomowej lub
masowej

●

reakcje rozpadu, gdy liczby atomowe lub masowe produktów reakcji są mniejsze niż substratów

Reakcje jądrowe są procesami powszechnymi w naturze. Synteza jądrowa zachodzi np. na masową
skalę we wnętrzach gwiazd. Reakcje rozszczepienia, najczęściej inicjowane neutronami tła
promieniowania mają miejsce w skorupie ziemskiej i w całym otoczeniu człowieka, w którym w
niewielkiej ilości występując izotopy promieniotwórcze, oraz w atmosferze Ziemi – głównie na skutek
oddziaływania promieniowania kosmicznego.
Reakcję jądrową może wywołać oddziaływanie z inną cząstką, jądrem lub promieniowaniem.
Procesowi temu towarzyszy powstanie nowych jąder i innych cząstek. Duże znaczenie mają tzw.
reakcje dwuciałowe, których schemat ma postać:
X+a → Y +b
Szczególnym przypadkiem takiej reakcji jest zderzenie elastyczne:
X + a → X+a
W którym nie zmienia się energia kinetyczna układu jądro-cząstka(więc nie jest to przemiana jądrowa)
oraz zderzenie niesprężyste:
X + a → X* + a
w którym jądrowo końcowe znajduje się w stanie wzbudzonym.
Jeżeli reakcja jądrowa wywoływana jest przez kwant gamma, reakcję taką nazywa się fotojądrową
X + gamma → Y + a
Natomiast, gdy cząstka oddziałująca z jądrem łączy się z nim, a energia jest wypromieniowywana w
postaci kwantu gamma:
X + a → Y + gamma
wówczas mówi się o chwytaniu lub wychwycie radiacyjnym.

19

Energia reakcji jądrowej, energia progowa reakcji

Energia jądrowa to energia wydzielana podczas przemian jądrowych. Uwalnianie się energii podczas
tych przemian związane jest z różnicami w energii wiązania poszczególnych jąder atomowych.

Przyczyny uwalniania się energii jądrowej

Jądra żelaza(Fe-56) są najbardziej stabilnymi ze wszystkich jąder, co oznacza największą energię
wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. Jądra masywniejsze od jąder żelaza mają stopniowo coraz
mniejszą energię wiązania na nukleon. Dlatego rozszczepiając ciężkie jądro na mniejsze fragmenty,
uzyskuje się energię. Podobnie dzieje się podczas łączenia jąder lżejszych od jąder żelaza. Różnice w
energiach wiązania i, co za tym idzie, wydzielane energie są tak duże, że następuje mierzalny spadek
masy produktów takich reakcji jądrowych(część masy zmienia się na energię). Zmiana masy ma
miejsce również podczas endotermicznych reakcji chemicznych gwałtownego utleniania(spalania)
tradycyjnych paliw, ale jest ona w tym przypadku nieporównywalnie mniejsza. Reakcje jądrowe w
przeliczeniu na jednostkę masy są około milion razy efektywniejsze od reakcji chemicznych.

Energia jądrowa w naturze

Reakcja syntezy jądrowej jest głównym źródłem energii emitowanej przez ciała niebieskie. Jest ona
źródłem promieniowania Słońca i innych gwiazd. Z kolei we wnętrzu Ziemi, znajduje się pewna ilość
ciężkich pierwiastków promieniotwórczych ulegających ciągłemu rozpadowi. Energia ta, poza energią
pozostałą po formowaniu się Ziemi, może być źródłem wzrostu temperatury ziemi wraz z głębokością.

Energia progowa

Minimalna energia cząstki potrzebna do zajścia reakcji endoenergetycznej w zderzeniu z inną cząstką.
Reakcja endoenergetyczna to taka reakcja, podczas której dodatkowo pobierana jest z otoczenia pewnie
ilość energii Q. Dzięki temu reagujące ze sobą cząstki mogą zamienić się w inny układ. Zatem w
ogólnym przypadku przed reakcją układ składa się z z:

●

cząstki o masie m_a, w którą uderzamy inną cząstką

●

cząstki o masie m_x oraz prędkości v_x, którą uderzamy w nieruchomą cząstkę

Natomiast po reakcji z:

●

nowego ciała o macie m_z = m_a + m_x oraz prędkości v_z

Skoro na początku pocisk się poruszał, to z zasady zachowania pędu:

m

x

∗

v

x

=

m

z

∗

v

z

(produkt z też powinien się poruszać), więc kolejno:

m

x

2

∗

v

x

2

=

m

x

2

∗

v

z

2

m

x

2

∗

v

x

2

/

2=m

z

2

∗

v

z

2

/

2

Ponieważ energia kinetyczna ma w ogólnym wypadku postać m*v^2/2, to:

E

x

∗

m

x

=

E

z

∗

m

z

→ E

z

=

E

x

∗

m

x

/

m

x

20

Warunek na reakcję to natomiast:

E

x



Q= E

z

Jest to zasada zachowania energii- pędząca cząstka x oraz zewnętrzna energia Q pozwalająca na zajście
reakcji endoenergetycznej, w której tworzona jest nowa, poruszająca się cząstka z. Przekształcając

E

x

=

E

x

– Q=

E

x

∗

m

x

m

z

– Q

E

x

∗

m

z

=

E

x

∗

m

x

– Q∗m

z

E

x

=−

Q∗

m

z



m

z

−

m

x



=−

Q∗



m

a



m

x





m

a



m

x

−

m

x





Można otrzymać ostateczny wzór na energię progową:

E

x

=

∣

Q∣1

m

x

m

a



Reaktor jądrowy

Reaktor jądrowy jest urządzeniem, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje
jądrowe; na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki są to przede wszystkim reakcje rozszczepienia
jąder atomowych. Reakcje te mają charakter łańcuchowy – produkty reakcji(w tym głównie neutrony)
mogą zainicjować kilka następnych. Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli
się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem, czyli substancją
spowalniającą neutrony. Szybkość reakcji kontrolowana jest m.in. przez zmianę wzajemnego położenia
lub proporcji tych składników, a także przez wprowadzenie dodatkowych substancji pochłaniających
lub spowalniających neutrony, zawartych w tzw. prętach regulacyjnych(służących do normalnej
regulacji parametrów reakcji) oraz prętach bezpieczeństwa(stosowanych do awaryjnego wyłączania
reaktora). Substancjami używamymi do pochłaniania neutronów termicznych są m.in. bor i kadm,
natomiast jako moderatorów używa się m.in. berylu, grafitu, a także wody, pełniącej równocześnie rolę
chłodziwa.

Podział wg rodzaju reakcji jądrowej

●

Rozszczepienie jądra atomowego – większość reaktorów, w tym wszystkie komercyjne, oparta
jest na zjawisku rozszczepienia jądra atomowego. Najczęściej jako paliwo używany jest uran,
ale trwają badania nad wykorzystaniem toru(na przykład w reaktorach solnych).

●

Kontrolowana synteza termojądrowa – wykorzystanie kontrolowanej syntezy
jądrowej(najczęściej wodorem jako paliwem) jest w fazie eksperymentalnej. Jak dotąd nie
udało się przeprowadzić kontrolowanej syntezy z dodatnim bilansem energetycznym.

●

Rozpad promieniotwórczy – na przykład radioizotopowe generatory termoelektryczne oraz
baterie jądrowe

21

Podział według chłodziwa

●

Reaktory wodne, ciśnieniowe(tzw. PWR i WWER), w których chłodziwem i moderatorem jest
zwykła woda pod ciśnieniem(na tyle wysokim by woda nie zaczęła wrzeć podczas normalnej
pracy reaktora

●

reaktory wodne, wrzące(BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła
woda, ale wrząca

○

wyjątkowymi reaktorami wodnymi, wrzącymi są reaktory kanałowe wielkiej
mocy(RBMK), chłodzone są wodą wrzącą w kanałach paliwowych, a moderowane
grafitem. Taki tym reaktora został zastosowany m.in. w elektrowni w Czarnobylu oraz w
innych elektrowniach na terenie byłego ZSRR

●

reaktory wodne, basenowe, gdzie pręty paliwowe zanurzone są w basenie ze zwykłą wodą,
które jest chłodziwem i moderatorem. Warstwa wody nad rdzeniem ma wystarczającą grubość,
by ekranować promieniowanie umożliwiając personelowi reaktora bezpieczną pracę nad
basenem

●

reaktory ciężkowodne(PHWR np. reaktor jądrowy ciężkowodny(CANDU)), chłodziwem i
moderatorem jest ciężka woda,

●

reaktory gazowy(GCR,AGR,HTGR), w których chłodziwem jest gaza(dwutlenek węgla lub
hel), a moderatorem grafit,

●

reaktory prędkie(LMFR na szybkich neutronach), pozbawione moderatora, chłodziwem są
najczęściej stopione metale: sód, rzadziej ołów,

●

reaktory solne(MSR), gdzie chłodziwem są stopione sole, najczęściej fluoru

Podział według generacji

●

Pierwszej generacji – prototypowe

●

Drugiej generacji – pierwsze reaktory przemysłowe

●

Trzeciej generacji – reaktory nowszych konstrukcji

●

Czwartej generacji – najnowsze, w fazie projektów

Podział według przeznaczenia

●

Energetyczne

●

napędowe(głównie okrętów podwodnych i innych dużych okrętów)

●

militarne(wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej)

●

badawcze

Budowa reaktora

Typowy reaktor jądrowy zbudowany jest z rdzenia, reflektora neutronów oraz osłon biologicznych.
Sam rdzeń zawiera pręty paliwowe, pręty regulacyjne(pochłaniają nadmiar neutronów), pręty
bezpieczeństwa, moderator, kanały chłodzenia i kanały badawcze.

22

Sterowanie reaktorem

Moc reaktora jest regulowana poprzez kontrolowanie liczby neutronów, które są w stanie wywołać
kolejne rozszczepienia. Zmiany mocy reaktora określa parametr pracy reaktora zwany reaktywnością
reaktora.
Kontrola mocy reaktora jest realizowana poprzez pręty kontrolne, które są wykonane z substancji
pochłaniających neutrony. Absorpcja większej ilości neutronów w prętach kontrolnych oznacza, że w
reaktorze jest mniej neutronów, które mogą wywołać następne rozszczepienia. Opuszczając pręty
zmniejsza się moc reaktora, a podnosząc zwiększa.
W wyniku reakcji rozszczepienia wydzielane są neutrony, które są podstawą reakcji łańcuchowej.
Większość neutronów emitowana jest natychmiast(neutrony natychmiastowe) po rozszczepieniu, ale
około 0.65% neutronów jest emitowana z opóźnieniem. Neutrony wyemitowane z opóźnieniem są
nazywane opóźnionymi ich emisja ma charakter sumy zaników naturalnych z czasem połowicznego
zaniku od milisekund aż nawet do kilku minut. Istnienie neutronów opóźnionych daje czas urządzeniu
mechanicznemu lub operatorowi na reagowanie na zmianę liczby neutronów w reaktorze, gdyby nie to
zjawisko czas między osiągnięciem stanu krytycznego a katastrofą nuklearną byłby zbyt krótki, aby
umożliwić interwencję.
Na reaktywność reaktora wpływają także zjawiska związane ze spowalnianiem neutronów,
pochłanianiem neutronów przez chłodziwo.

Odprowadzanie wytworzonej energii

W reaktorach badawczych ciepło zazwyczaj odprowadzane jest bezpośrednio do chłodni
wentylatorowych. Natomiast w zdecydowanej większości elektrowni jądrowych, energia cieplna
pochodząca z reakcji jądrowych jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora:
odparowuje(reaktory wrzące BWR) lub nie(jeśli jest pod wysokim ciśnieniem – reaktory ciśnieniowe
PWR i WWER). Przekazanie ciepła w elektrowni jądrowej następuje w wytwornicy pary, która dzieli
cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona w wytwornicy para napędza turbozespół.

Paliwo

W większości reaktorów(a we wszystkich lekko-wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran.
Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5%(z około
0.7%), ale reaktory ciężkowodne(CANDU,PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów.
Reaktory prędkie wymagają jako paliwa bardziej wzbogaconego uranu(do 20%), bądź plutonu.
Produkują za to, w procesie wychwytu neutronu i następujących rozpadów beta, pluton-239 z uranu
U-238. Pluton może być następnie, po wydzieleniu, używany jako paliwo. Przy odpowiedniej
konstrukcji reaktor jest w stanie produkować w ten sposób więcej paliwa, niż go zużywa(reaktor
powielający).

Bomba jądrowa

Urządzenie wykorzystujące wybuchy oparte na wykorzystaniu reakcji jądrowej materiałów
rozszczepialnych lub reakcji kombinowanej: rozszczepienie-synteza. Pod względem budowy
zewnętrznej, rozmiarów i ciężaru bomba jądrowa zbliżona jest do konwencjonalnej bomby lotniczej.
Zasadniczymi elementami są:

23

●

ładunek jądrowy

●

urządzenia zapłonowe

●

powłoka metalowa

W zależności od mocy ładunku bomby jądrowej mogą być stosowane przez lotnictwo bezpośrednio na
polu walki lub zrzucane na obiekty o znaczeniu operacyjnym albo operacyjno-strategicznym. Moc
bomby może wahać się w granicach od kilku kiloton do kilkunastu megaton.

Bomba termojądrowa

Ładunek termojądrowy, zwany też wodorowym jest to ładunek wybuchowy w którym głównym
źródłem energii wybuchu jest reakcja termojądrowa zachodząca podczas wybuchu.

Zasada działania

Reakcja termojądrowa to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o
większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. Warunkami umożliwiającymi reakcję
syntezy jest silne rozpędzenie jąder atomowych(wysoka temperatura) oraz duża koncentracja
odpowiednich jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej, w centrum której
umieszczono materiał do syntezy termojądrowej.
Ze względu na to, że wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały należy zastosować w bombie
materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze.
Pierwsze bomby zawierały deuter i tryt, ale tryt nie jest zbyt trwały(ma względnie krótki okres
półtrwania- 12.26 lat) i tak skonstruowanej bomby nie można zbyt długo przechowywać.
Rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie wybuchu bomby. Tryt otrzymywany jest z litu poprzez
bombardowanie jego jąder neutronami pochodzącymi głównie z rozszczepienia jąder ładunku
inicjującego, którym jest zazwyczaj uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej
mocy. Zastosowanie związków deuteru i trytu z litem znacznie upraszcza konstrukcję bomby,
umożliwiając przechowywanie tych substancji w stanie stałym, bez instalacji chłodzących.
Schemat głównych reakcji zachodzących w ładunku termojądrowym:

Li

6



n → He

4



T 4.8MeV

T  D→ He

4



n17.6 MeV

D D →T  p4MeV

D D →≥

8



n3.3MeV

Zasadnicze znaczenie mają dwie pierwsze reakcje, tworzą one samopodtrzymujący się cykl. Pierwsza
dostarcza tryt do drugiej, a druga neutrony dla pierwszej. Dwie pozostałe reakcje zachodzą z mniejszą
częstotliwością.

24

Typy ładunków termojądrowych

Bomba o konstrukcji wyżej opisanej jest nazywana bombą o ładunku dwufazowym. Faza I – reakcja
rozszczepienie uranu lub plutonu, faza II – synteza hela.
W pierwszej i w drugiej fazie wybuchu ładunku wydziela się znaczna ilość szybkich neutronów.
Większość z nich ucieka poza obszar wybuchu. Neutrony te można wykorzystać do inicjowania
rozszczepienia jąder ulegających rozszczepieniu w wyniku bombardowania szybkimi neutronami.
W wersji trójfazowej ładunek o konstrukcji opisanej wyżej otacza się dodatkową powłoką z izotopu
238 uranu lub 232 toru, która spełnia w pierwszym etapie rolę ekranu odbijającego neutrony, a
następnie sama ulega rozszczepieniu. Izotopy te nie ulegają łańcuchowej reakcji rozszczepienia, ale w
końcu bombardujące je szybkie neutrony powstałe w pierwszych dwóch etapach powodują ich
rozszczepienie, co znacznie zwiększa sumaryczną moc wybuchu.
Specjalnym rodzajem ładunku termojądrowego jest bomba neutronowa. Siła jej wybuchu jest
relatywnie niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem niszczącym
jest natomiast promieniowanie neutronowe, zabójcze dla żywych organizmów.

Odkrycie i własności protonu

Proton jest trwałą cząstką elementarną z grupy barionów o ładunku +1 i macie spoczynkowej równej
ok. 1u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z
neutronami tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atom
jest równa jego liczbie atomowej.
Proton wg Modelu Standardowego jest cząstką złożoną, zaliczaną do hadronów, a ściślej barionów i
jest zbudowana z trzech kwarków: dwóch kwarków górnych „u” i jednego kwarku dolnego „d”(układ
uud) związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.

Historia odkrycia

Eugen Goldstein zaobserwował, że promieniowanie anodowe składa się z dodatnio naładowanych
jonów. Zauważył również, że stosunek ładunku do masy tych jonów zależy od natury gazu. W 1898
roku Wilhelm Wien stwierdził, że najwyższy stosunek był obserwowany, kiedy wodór wypełniał rurę
katodową.
W roku 1918 Ernest Rutherford stwierdził, że jądra wodoru produkowane są w wyniku działania
cząstek alfa na azot.
Ernest Rutherford w 1911 roku wykorzystywał cząstki alfa do bombardowania atomów. Natura tych
cząstek nie była jeszcze znana, ale wiadomo było, że są one wysyłane z atomów, czyli są od nich
znacznie mniejsze, oraz mają ładunek dodatni.
Doświadczenie Rutherforda z 1911 roku polegało na zbadaniu rozproszenia wiązki cząstek alfa o
znacznej energii, które padały na tarczę wykonaną z cienkiej metalowej folii. Cząstki alfa są kilka
tysięcy razy cięższe od elektronów, więc ich ruch nie był znacząco zakłócany przez elektrony.
Źródłem cząstek alfa była cienkościenna rurka wypełniona radonem. Eksperyment polegał na zliczaniu
cząstek alfa, które rozpraszały się pod różnymi kątami. W doświadczeniu większość cząstek ulegała
odchyleniu o małe kąty, jednakże niewielka ich część rozproszona została pod bardzo dużymi
kątami(bliskimi 180 stopni). Było to przełomowe odkrycie, gdyż sądzono, że ładunek dodatni w atomie

25

był rozłożony równomiernie w całej jego objętości(model atomu Thomsona), więc ciężkie cząstki alfa
powinny przelatywać przez atom, nieznacznie tylko zmieniając swój kierunek. Rutherford podsumował
to wydarzenie następująco: „To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk,wystrzelony w kawałek bibułki,
odbił się od niej i trafił w strzelającego”.
Rutherford zaproponował, że cały dodatni ładunek i prawie cała masa atomu są skupione w małym
jądrze, które znajduje się w środku atomu. Jądro zajmuje jedynie 10^-12 objętości całego atomu,
dlatego też występowanie gwałtownych zderzeń jest dość rzadkie. Elektrony zaś krążą po orbitach
wokół jądra.
W latach 1919-1924 przeprowadzono serię doświadczeń, które polegały na bombardowaniu wielu
różnych jąder cząstkami alfa, w celu lepszego zbadania jądra. W pierwszych doświadczeniach tarczę
stanowiły atomu azotu. Eksperymenty te polegały na tym, że cząstki alfa były kierowane na jeden z
końców rury, którą wypełniał azot, a z drugiej strony rejestrowane były rozproszone cząstki.
Rutherford stwierdził, że wśród cząstek wylatujących znajdują się także jądra wodoru, mimo że nie
użyto go do doświadczenia. Cząstki alfa musiały więc wybijać jądra wodoru z tarczy azotowej. W
kolejnych doświadczeniach zastosowano inne tarcze jądrowe i we wszystkich przypadkach
obserwowano przemianę jąder. Było to dowodem na to, ze jądra mają określoną strukturę wewnętrzną.
Najprostszym atomem jest wodór, który zawiera jeden elektron i jedno jądro, które jest cząstką
naładowaną dodatnio. Nazwane ono zostało protonem. Proton jest 1836 razy cięższy od elektronu,
czyli praktycznie cała masa atomu wodoru pochodzi z protonu. W związku z tym, że protony są
wybijane z różnych pierwiastków, Rutherford wywnioskował, że to właśnie one niosą ładunek dodatni
we wszystkich jądrach. Im większy jest ładunek dodatni jądra, tym więcej protonów ono zawiera.

Odkrycie i własności neutronu

Odkrycie

Walter Bothe i Herbert Becker w 1930 roku badali oddziaływanie cząstek alfa z lekkimi atomami.
Bombardując cząstkami alfa beryl, zauważyli oni, że emituje on niesłychanie przenikliwe
promieniowanie, które przechodzi nawet przez dwudziestocentymetrową ścianę wykonaną z ołowiu.
Promieniowanie to nazwano promieniowaniem berylowym. Podobne eksperymenty przeprowadzili
małżonkowie Frederic Joliot i jego żona Irena Joliot-Curie. Zarówno jedni, jak idrudzy błędnie sądzili,
ze mają do czynienia z promieniowaniem Roentgena.
W 1932 roku James Chadwick wykonał podobne doświadczenie, ale dodatkowo w pewnej odległości
od tarczy umieścił wosk parafinowy. Gdy promieniowanie berylowe trafiało na wosk, to wybijało z
niego protony. Energia, zawarta w promieniach Roentgena, wystarczyła do uwolnienia elektronów z
atomów parafiny, ale nie mogła doprowadzić do wybicia protonów. Chadwick stwierdził, że wybicie
protonów musiało być spowodowane przez promieniowanie obojętnych cząstek, które mają masę
zbliżoną do masy protonu. Cząstki te nazwano neutronami.
Neutrony dzięki temu, że są obojętne, mogą przenikać przez grube warstwy materiałów(takich jak na
przykład ołów). Jest tak, gdyż ich ruch nie jest zaburzany przez cząstki naładowane dodatnio, bądź
ujemnie, które wchodzą w skład atomów materiału, przez który mają przechodzić neutrony.

26

Własności neutronu

Neutron to cząstka subatomowa występująca w jądrach atomowych. Jest obojętny elektrycznie.
Posiada spin ½. Według modelu standardowego neutron jest cząstką złożoną należącą do klasy
barionów, a dokładniej nukleonów i składa się z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego,
związanych se sobą oddziaływaniem silnym.
Neutrony będące częścią jąder atomowych są bardzo stabilne. Samodzielne neutrony(tzn. Występujące
poza jądrem) nie są stabilne, ale rozpadają się w wyniku oddziaływań słabych. Średni czas życia
swobodnego neutronu wynosi 885.7s(ok. 15 minut). Rozpad następuje zgodnie z reakcją:
n → p + e + v_e

Synteza lekkich jąder, reaktor termojądrowy

Reakcja termojądrowa to zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe,
w wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne
i cząstki alfa.
Różne jądra atomowe mają różną energię wiązania przypadającą na nukleon. Największą energię
wiązania przypadającą na jeden nukleon ma żelazo.
W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia(w postaci energii kinetycznej produktów i
promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię
cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na
podstawie deficytu masy, czyli różnicy as składników i produktów reakcji.
Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają – aby doszło do ich
połączenia muszą zbliżyć się na tyle, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie
elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość(energia kinetyczna) jąder. Wysoką
energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach
cząstek.
Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja w gwiazdach i w
bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów. W skali
atomowej oznacza to bardzo dużą energię zderzenia cząstek. Istnieje hipoteza, że synteza jądrowa
może zachodzić również w niższych temperaturach.
Reakcja termojądrowa jest głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem energii gwiazd.
W niezbyt masywnych gwiazdach ciągu głównego podstawową reakcją jest synteza jądra helu. Aby
synteza nastąpiła, jądra wodoru(protony) muszą się zbliżyć na odległość zasięgu oddziaływania
jądrowego(ok. 1Fm = 10^-13). Protony odpychają się jednak elektrostatycznie, a zatem muszą pokonać
barierę potencjału o wartości około E = 1MeV. Taką energię termiczną mają cząstki o temperaturze
10^10K. Tak wysokiej temperatury nie ma we wnętrzu gwiazd, ale przebieg zjawiska w niższej
temperaturze tłumaczy zjawisko tunelowe.
Proces syntezy helu z wodoru przebiega w wyniku kilku procesów:
n + v_e → p + e^-
Proces ten jest konsekwencją oddziaływań słabych(wymiany bozonu W). Podczas syntezy następuje
odwrotny rozpad beta:

27

p → n + e+ + v_e
Reakcja ta jest niezmiernie wolna. Następna reakcja:
p+d->He^3 + gamma
prowadzi do powstania izotopu helu, po którym następuje fuzja dwóch jąder helu:
He^3 + He^3 → He^4 + 2p
Opisany powyżej ciąg reakcji jądrowych zwany jest cyklem wodorowym. W pojedynczym cyklu
tworzenia 1 jądra helu z 4 protonów emitowane jest 26.7 MeV energii i jest to główne źródło energii
gwiazd. Część energii jest tracona przez uchodzące neutrina(1.6 MeV).
Zderzające się jądra mają zazwyczaj energię mniejszą od energii potrzebnej do pokonania bariery
potencjału elektrycznego, ale przenikają przez nią na skutek zjawiska kwantowego zwanego efektem
tunelowym. W wyniku syntezy produkowane są nowe jądra, neutrina i fotony. Wysokoenergetyczne
fotony przekazują najpierw energię materii gwiazd, podrzewając ją, aby po pewnym czasie jako
promieniowanie cieplne wydostać się z gwiazdy. Niemal wszystkie neutrina opuszczają wnętrze
gwiazd bez zderzeń z materią gwiazdy. Dla fotonów środowisko wnętrza gwiazdy nie jest
przezroczyste. Średnia droga swobodna wysokoenergetycznego fotonu we wnętrzu słońca wynosi
około 10^-3m. Wydostanie się energii z wnętrza gwiazdy na zewnątrz następuje w wyniku
promieniowania wysokoenergetycznego, promieniowania cieplnego oraz konwencji gazu w gwieździe.
Na procesy te wpływa też zmiana ruchu cząstek w polu magnetycznym.
Reakcje syntezy cyklu wodorowego nastąpiły w młodym Wszechświecie podczas procesu
nukleosyntezy.

Reaktor termojądrowy

Kontrolowana synteza termojądrowa, to reakcja termojądrowa, która miałaby podlegać
kontrolowanemu przebiegowi. Główną motywacją kontrolowania syntezy termojądrowej jest
wykorzystanie jej jako źródła energii.
Obecnie ludzkość potrafi wywołać reakcję termojądrową w bombach termojądrowych, oraz na
niewielką skalę w urządzeniach badawczych. Do tej pory w żadnym eksperymencie nie udało się
uzyskać dodatniego bilansu energii. Pierwszym urządzeniem mającym to osiągnąć jest tokamak
budowany w ramach projektu ITER, na wzór działającego obecnie mniejszego JET.
Istnieje kilka sposobów, które teoretycznie mogą pozwolić wykorzystać syntezę jądrową jako źródło
energii. Obecnie najintensywniej badane są dwa podejścia: inercyjne uwięzienie plazmy oraz
magnetyczne uwięzienie plazmy. Prace na mniejszą skalę prowadzone są też nad metodą
polywell(łączącą cechy dwóch poprzednich) oraz nad kilkoma niekanonicznymi metodami:
piroelektryczną, soniczną i elektrolityczną(zimna fuzja).

Inercyjne uwięzienie plazmy

Synteza jądrowa przebiegająca w bombach termojądrowych jest tylko w niewielkim stopniu
kontrolowana. Po zainicjowaniu reakcji plazma swobodnie się rozprzestrzenia. Czas jaki jej to zajmuje
jest jednak wystarczająco długi, aby przebiegła synteza. To podejście nazywane jest inercyjnym
uwięzieniem plazmy. W takim procesie reakcja obejmuje całe dostępne paliwo, co w praktyce oznacza,
że już miligramowe jego ilości wywołują eksplozję, mogącą uszkodzić elektrownię. Teoretycznie

28

można jednak stworzyć w ten sposób stabilne źródło energii, jeśli reakcja będzie wywoływana kilka
razy na sekundę w niewielkich porcjach paliwa. Wymaga to niezależnego podgrzewania każdej porcji
do wysokiej temperatury i kompresowania jej pod wysokim ciśnieniem.
Obecnie najbardziej zaawansowane projekty zakładają wykorzystanie silnego lasera, którego impuls
byłby skupiany na zbiorniku zawierającym niewielką kulę paliwa. Światło zaabsorbowane przez
zbiornik byłoby reemitowane w postaci promieni rengenowskich, które kompresowałyby paliwo i
podgrzewały je, inicjując syntezę. Największym ośrodkiem prowadzącym badania w tym kierunku jest
obecnie National Ignition Facility w Usa.

Magnetyczne uwięzienie plazmy

W temperaturach w których przebiega synteza, paliwo jądrowe jest w postaci plazmy, która jest bardzo
dobrym przewodnikiem prądu. Otwiera to możliwość uwięzienia jej przy użyciu pola magnetycznego.
W takim polu naładowane cząstki krążą wokół linii pola. Dodatkowo mogą poruszać się równolegle do
linni pola, ale jeśli te linie są zamknięte, to cząstka jest uwięziona. Najbardziej zaawansowanymi
urządzeniami wykorzystującymi to zjawisko są tokamaki. Największym działającym urządzeniem tego
typu jest JET, a w trakcie budowy jest o wiele większy ITER. Prowadzone są też badania nad bardziej
skomplikowanymi układami takimi jak stellaratory i sferomaki.

Sztuczna promieniotwórczość

Promieniotwórczość sztuczna to promieniotwórczość trwałych pierwiastków chemicznych wywołana
w sposób sztuczny poprzez napromieniowanie trwałych pierwiastków neutronami w reaktorze
jądrowym lub poprzez bombardowanie tych pierwiastków ciężkimi cząstkami, takimi jak na przykład
protony, cząstki alfa i inne. Ze względu na wielce zróżnicowane właściwości promieniotwórczość
znajduje znacznie szersze zastosowania w przeciwieństwie do naturalnych substancji
promieniotwórczych. Jądra atomów pierwiastków trwałych zawierają korzystną energetycznie liczbę
protonów i neutronów. Pierwiastki takie albo nie ulegają przemianom jądrowym, albo proces ich
rozpadu jest niezmiernie powolny. Takie jądra można wyprowadzić ze stanu stabilnego przez zmianę
stosunku neutronów do protonów. Wzbudzone jądra dążą do uzyskania korzystniejszej konfiguracji,
stają się więc promieniotwórcze.

Rozszczepienie jądra atomowego

Jest to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa(rzadziej na więcej) fragmenty o
zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą
znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które
posiadające więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami
neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu
rozszczepienia(neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem(neutrony opóźnione).
Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i wymuszony. W tym drugim
przypadku rozszczepiają się w wyniku zderzenia z neutronami, protonami, kwantami gamma lub
innymi cząstkami. Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane
zderzeniem z neutronami. Rozszczepienie samorzutne są istotne w metodach datowania
radioizotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.

29

Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu po wchłonięciu przez
ciężkie jądro neutronu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak
emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne.
Przekrój czynny na rozszczepienie(prawd. Zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami
zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Wraz ze wzrostem energii neutronów,
zwykle następuje spadek wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Dlatego np. jądra U-233,
U-255, Pu-239 najłatwiej ulegają rozszczepieniu dla powolnych neutronów termicznych. Dla jąder tych
ciężkich pierwiastków, reakcja ta jest egzoenergetyczna. Na przykład:
U-235 + n → Kr_36^93 + Ba_56^140 + 3*n
Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować(poprzez
emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło
zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej.

Łańcuchowe reakcje jądrowe

Szczególny rodzaj reakcji jądrowej. Po zainicjowaniu reakcja przebiega początkowo tylko w
niewielkiej części ośrodka, lecz jej produkty – ciepło, światło, reaktywne produkty pośrednie – inicjują
reakcję w kolejnym punkcie ośrodka, na skutek czego rozwija się ona lawinowo bez potrzeby udziału
zewnętrznego czynnika inicjującego.

Warunki zachodzenia reakcji łańcuchowej

Reakcja łańcuchowa zachodzi gdy spełnione są dwa podstawowe warunki:

●

inicjowanie jest stosunkowo wolnym procesem, ale szybszym od terminacji lub terminacja jest
całkowicie wyeliminowana

●

propagacja jest o co najmniej jeden rząd szybszym procesem od procesu inicjowania i
terminacji.

Gdy proces inicjowania jest szybszy lub przebiega z porównywalną szybkością do procesu propagacji
reakcja nie ma charakteru łańcuchowego, lecz błyskawiczny. Powstaje naraz wiele centrów
reaktywności, które błyskawicznie wyczerpują cały dostępny substrat w jednostkowych reakcjach
propagacji i po chwili, o ile substrat nie jest stale dostarczany w tempie zbliżonym do szybkości
inicjowania, reakcja wygasa. Reakcje błyskawiczne są często mylone z reakcjami łańcuchowymi.
Gdy proces inicjowania jest wolniejszy od procesu terminacji reakcja nie może nabrać charakteru
łańcuchowego, gdyż centra reaktywności zanikają szybciej niż powstają i szybkość całego procesu
staje się praktycznie równa szybkości jego inicjowania. To samo ma miejsce w przypadku gdy proces
propagacji zachodzi wolniej lub choćby z porównywalną szybkości do procesu inicjowania. Jeśli
proces terminacji jest szybszy od procesu inicjowania w układzie nie zachodzą praktycznie żadne
dające się zaobserwować reakcje.
Proporcje szybkości reakcji inicjowania, propagacji i terminacji zależą od wielu różnych czynników.
Najważniejszy jest ich molekularny lub w przypadku reakcji jądrowych- jądrowy mechanizm, który
razem z warunkami termodynamicznymi(temperaturą, ciśnieniem, objętością) nazywany jest
czynnikami kinetycznymi. Na szybkości względne inicjowania, propagacji i terminacji mogą mieć
duży wpływ czynniki dyfuzyjne – a dokładnie możliwość docierania w odpowiednim czasie substratów

30

do centrów reaktywności. np.: gdy reakcja łańcuchowa prowadzi do wydzielenia się dużych ilości
gazów i nie odbywa się w zamkniętym naczyniu, gazy porywają z sobą substraty, a centra
reaktywności ulegają takiemu rozproszeniu, że reakcje terminacji stają się szybsze od tempa dyfuzji
substratów do tych centrów.
Inicjowanie- tj. procesy prowadzące do powstawania pierwotnych centrów reaktywności od których
zaczyna się cały proces
propagacja – tj. seria identycznych, stale powtarzających się reakcji prowadzących do otrzymania
produktu z odtworzeniem się lub namnożeniem centrów reaktywności
terminacja – tj .wszelkie procesy prowadzące do zaniku centrów reaktywności.

Efekt Mossbauera

Zjawisko fizyczne polegające na rezonansowej emisji promieniowania gamma przez jądra atomów
ciała stałego. Emisja taka poprzedzona jest absorpcją promieniowania o takiej samej częstotliwości i
ma charakter bezodrzutowy. Bezodrzutowość emisji jest spowodowana przez związanie emitującego
atomu w sieci krystalicznej. Zjawisko to zostało odkryte w roku 1957.
Promieniowanie gamma wytwarzane przy przejściach jąder atomowych z niestabilnego stanu o
wyższej energii do stanu o niższej energii. Wydzielona energia, równa różnicy energii obydwu stanów,
rozdziela się pomiędzy energię emitowanego kwantu gamma i energię kinetyczną odrzutu emitującego
atomu. Jeśli ta energia odrzutu jest bardzo mała w porównaniu z całkowitą wydzieloną energią, to
wyemitowany foton gamma ma energię dokładnie odpowiadającą różnicy energii pomiędzy poziomami
energetycznymi jądra i może być pochłonięty przez inne jądro tego samego rodzaju.
Dodatkowa energia odrzutu jest także tracona podczas absorpcji, ponieważ absorbujące jądro
przejmuje pęd pochłanianego fotonu. Aby więc zaszedł rezonans i pochłonięcie, ta energia odrzutu
musi być odpowiednio mała, mniejsza niż szerokość połówkowa energii stanu wzbudzonego.
Energia kinetyczna odrzutu może być wyliczona z zasady zachowania pędu:

∣

p

r

∣

=

∣

p



∣

czyli

p

r

2

=

p



2

gdzie p

r

jest pędem odrzutu, a

p



pędem fotonu gamma.

Jeśli masa odrzucanego obiektu M pomnożona przez prędkość światła jest znacznie większa od jego
pędy, to możemy użyć nierelatywistycznego związku pomiędzy pędem a energią kinetyczną:

E

r

=

p

R

2

÷

2∗M 

Dla fotonu związek pomiędzy pędem a energią ma postać:

E



=

p



∗

c

Energia tracona na odrzut jest więc odwrotnie proporcjonalna do masy odrzucanego obiektu.

31

Tworzenie par pozytono-elektronowych

Proces powstania pary cząstka-antycząstka z energii fotonu(lub innego neutralnego bozonu), jest
procesem odwrotnym do anihilacji. Wyróżnia się dwie odmiany kreacji par: trwałą i wirtualną.
Kreacja pary cząstka- antycząstka jest trwała, czyli powstałe cząstki istnieją po akcje kreacji dowolnie
długo. W procesie takiej kreacji spełniona jest zasada zachowania energii, pędu i inne zasady
zachowania. Zdarzenia takie można obserwować w procesach, w których oddziałujące cząstki mają
dostatecznie wysoką energię, czyli np. w oddziaływaniu promieniowania kosmicznego z cząstkami
atmosfery czy akceleratorach.

32