Budowa jądra atomowego

kg

m

kg

m

kg

m

e

n

p

31

27

27

10

10939

.

0

10

674929

.

1

10

672623

.

1



















Nuklidy

Jądra składają się z neutronów i protonów

Liczba protonów w jądrze- liczba atomowa-

Z

Liczba neutronów -

N

A=Z+N

Łączna liczba protonów i neutronów w jądrze – liczba masowa

A

Terminologia

nukleon

X

A

Z

U

H

238

92

1

1

,

Izotopy

Izotopy to takie pierwiastki których jądra
mają takie same liczby protonów (Z),
lecz różne liczby neutronów (A-Z)

Izotopy uranu: U-234, U-235, U-238 – (liczba protonów - 92)

Energia wiązania jądra

Masa M jądra jest mniejsza niż suma mas

S

m tworzących

je protonów i neutronów. Energia spoczynkowa jądra Mc

2

jest mniejsza niż suma energii spoczynkowych

poszczególnych protonów i neutronów

S

(mc

2

).

Różnica pomiędzy obydwiema energiami jest nazywana

energią wiązania

:









2

2

)

(

Mc

mc

E

W

A

E

E

w

wn







Energia wiązania nukleonu

Energia wiązania nukleonu

Żelazo (Fe) oraz nikiel (Ni) mają najwyższą wartość energii

wiązania na jeden nukleon (około8.8 MeV/nukleon)

Ener

gi

a

wi

ązani

a

[

MeV/n

uc

leo

n

]

92

238

U

10

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Pierwiastki transuranowe

nazwa

symb.

Z

A

Liczba
izotopów

Rok
wykrycia

neptun

Np.

93

231-241

11

1940

pluton

Pu

94

232-246

15

1940

ameryk

Am

95

237-246

10

1944

kiur

Cm

96

238-250

13

1944

berkel

Bk

97

243-250

8

1949

kaliforn

Cf

98

244-254

11

1950

einstein

Es

99

246-256

11

1953

ferm

Fm

100

250-256

7

1953

mendelew

Md

101

255-256

2

1957

nobel

No

102

255-256

2

1958

lorens

Lw

103

257

1

1961

Promieniotwórczość

• Odkrycie naturalnej promieniotwórczości

przez Bequerela (1896) i małżonków Curie

• Promieniotwórczość to zdolność do

emitowania promieniowania

• Trzy rodzaje promieniowania:

a

-jądra helu

b

- elektrony

g

- fale elektromagnetyczne

U-238 Rozpad

Po

Rn

Rn

Ra

Ra

Th

Th

U

U

Pa

Pa

Th

Th

U

218

80

222

84

222

84

226

88

226

88

230

90

230

90

234

92

234

92

234

91

234

91

234

90

234

90

238

92





























a

a

a

a

b

b

a

Mapa nuklidów



3000 znanych izotopów ale jedynie

266 stabilnych

!



jądra o Z > 83 nie są stabilne!



Wyjątkowa stabilność dla „liczb magicznych”



Z, N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126,

•

l

= stała rozpadu

t

= 1/

l

= czas życia

,

•

t

1/2

= czas połowicznego rozpadu

0

ln

N

t

No

dN

N

dt

dN

dt

N

N

t

No

l

l

l

 

 



  













t

N

N









l

Prawa rozpadu nuklidów

.

2

ln

2

ln

2

/

1

t

l





t

t

e

N

N

l





0

Aktywność materiału – jedn.bekerel Bq

(Jednostka-czas połowicznego zaniku)

Nowe produkty rozpadu

Jądra promienio-
twórcze początkowe

Pr

ocen

towa

zawartość

jąder

pr

om

ie

nio

twór

czy

ch

,

któ

re

nie

uległy

ro

zpad

ow

i

nazwa

radioizotop

Czas połowicznego
rozpadu

Typ
promieniowania

węgiel

14

C

5730 lat

b

potas

40

K

b,g

rad

226

Ra

1600 lat

a,g

uran

238

U

a,g

lat

9

10

3

.

1



lat

9

10

5

.

4



Naturalnie występujące radioizotopy.

Datowanie



b

-

rozpad

14

C

14

C



14

N + e

–

+

n

e



Promienie kosmiczne generują

14

C

w

górnych warstwach atmosfery . W
gazowym CO

2

stosunek

14

C/

12

C jest

stały

14

C /

12

C = 1.2×10

–12



W organizmach nieżywych

14

C

nie jest dalej absorbowane i
stosunek

14

C/

12

C maleje z czasem

.



Czas połowicznego zaniku

14

C

t

1/2

= 5730 lat.

Niektóre radioizotopy używane w medycynie

nazwa

radioizotop

Czas połowicznego
rozpadu

Typ
promieniowania

jod

131

I

8 dni

b,g

jod

125

I

60 dni

g

potas

42

K

12 godzin

b,g

sód

24

Na

15 godzin

a,g

technet

99

Tc

6 godzin

a,g

Kamera scyntylacyjna

Pomiar prędkości krążenia krwi

Określenie położenia nowotworu

Medycyna - diagnostyka

Inne zastosowania

Otto Hahn

Lise Meitner

Stwierdzili, że jądro uranu absorbując neutrony rozpada się na dwie

w przybliżeniu równe części emitując przy tym kilka neutronów

i dużą ilość energii.

1

0

n +

235

92

U →

142

56

Ba +

91

36

Kr + 3

1

0

n

Fritz Strassman

Rozszczepieni jąder uranu

Q

n

Kr

Ba

U

n











3

91

36

142

56

235

92

Rozszczepieni jąder uranu

Q

n

Sr

Xe

U

n











2

94

38

140

54

235

92

Q

n

Kr

Ba

U

n











3

91

36

142

56

235

92

MeV

Q 200



URAN

Leo Szilard

i

Albert

Einstein

• Szilard napisał list do do prezydenta

Stanów Zjednoczonych Franklina Roosvelta.

Einstein podpisał list 2 września 1939.

• Manhattan Projekt 1942.

Manhattan Projekt 1942

Niels Bohr

Glenn Seaborg

Enrico Fermi

Gen Leslie Groves

J. Robert Oppenheimer

J. Robert Oppenheimer,

Glenn Seaborg, Enrico

Fermi, Richards P. Feynman, Niels Bohr,

Hans Bethe,......

238

92

U +

1

0

n →

239

92

U

239

92

U →

239

93

Np +

0

-1

β

239

93

Np →

239

94

Pu +

0

-1

β

Produkcja

plutonu

Hanford

Najczęściej spotykane procesy

wzbogacania uranu.

U-238

U-235

pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa

paliwowo

moderator

Reaktor atomowy

• paliwo –

wzbogacony

235

U.

• Moderator –

materiał

spowalniający
neutrony zwykle
grafit,

• Pręty kontrolne–

absorbent
neutronów: bor,
kadm.

Pierwszy stos atomowy

University of Chicago

Enrico Fermi
2 grudnia 1942

Little Boy – bomba uranowa

Ilustrowany Leksykon Lotniczy-
Uzbrojenie

Fat Man – bomba

plutonowa

• Wykorzystano materiał

240

Pu

Początek ery

nuklearnej

• Pierwsza nuklearna

eksplozja

• 16 lipiec 1945r.
•

the Jornado del Muerto

Valley koło Alamogordo
New Mexico

• Trinity

Hiroshima

• 6 sierpnia 1945, bomba Little Boy została zrzucona z

samolotu Enola Gay przez pilota Paula Tibbets’a.

• odpowiednik 12-15 kiloton TNT.
• 70,000 osób zginęło, 140,000 zmarło do końca roku.

Nagasaki

• 9 sierpnia 1945, bomba Fat Man została zrzucona z

samolotu Bocks Car przez pilota Charlesa Sweeney’a.

• odpowiednik 21 kiloton TNT.
• 40.000 osób zginęło, 70.000 zmarło do końca roku.

Główne czynniki rażące w bombie atomowej:

•Fala uderzeniowa,
•Promieniowanie cieplne,
•Promieniowanie,
•Skażenie radioaktywne

Dawki promieniowania a skutki biologiczne

Miarą ilości pochłanianego promieniowania jest

dawka

promieniowania

, która definiujemy jako stosunek energii

pochłoniętej przez daną masę ciała do wartości tej masy.

m

E

D

















kg

J

Gy

1

1

Jeden

grej

(1rad=0,01J/kg)

Dawka pochłonięta – jest to energia przekazywana przez
promieniowanie jonizujące jednostce masy dowolnej materii

•

Ssaki - dawka 10Gy jest dla nich śmiertelna.

• Owady – dawka śmiertelna 100Gy
• Bakterie – dawka śmiertelna 10000Gy