background image

 

Fizyka jądra atomowego 1 

FIZYKA JĄDRA ATOMOWEGO 

 
Atom 
 
Atom– najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik 
materii. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. 
 
 
Elektron 
 
 

Ładunek: 

e

q

e

= −

   

 

 

 

(

19

1,6 10

C

e

=

 Masa: 

31

9,1 10

kg 0,511 MeV

e

m

=

=

, (

19

1 eV 1,6 10 J

=

 Spin: 

 

(

1)

S

s s

=

+

!

,  

 

1/ 2

s

=

 

 
 
 
Jądro atomowe 
 
Jądro najprostszego atomu - atomu wodoru- składa się z pojedynczego 
protonu. Jądra wszystkich pozostałych atomów składają się z protonów i 
neutronów
. Protony i neutrony nazywane są nukleonami
 
 
 
Proton 
 
 

Ładunek: 

p

q

e

= +

 

 Masa: 

27

1,674 10

kg 938,28 MeV 1836

p

e

m

m

=

=

=

 

 Spin: 

 

1/ 2

s

=

 

 
 
Neutron 
 
 

Ładunek: 0

n

q

=

 

 Masa: 

27

1,672 10

kg 939,57 MeV

n

m

=

=

 

 

 

 

1,3 MeV 2,5

n

p

e

m

m

m

=

=

 

 Spin: 

 

1/ 2

s

=

 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 2 

Neutron, cd. 
 
W stanie swobodnym neutron jest niestabilny (promieniotwórczy) -
rozpada się samorzutnie wg schematu: 
 

n

p e

ν

→ + +

"

 

 

ν

"

 - 

antyneutrino   (

0

m

ν

=

"

W tej reakcji występujący tu nadmiar masy (1,5

0,77 MeV

e

m

=

wydzielany jest w postaci energii kinetycznej tworzących się cząstek. 
 
 
Wielkości charakteryzujące jądro atomowe 
 

 -  Liczba 

atomowa. 

Jest to liczba protonów wchodzących w skład jądra. 
Liczba   określa: 

-  ładunek jądra, który jest równy  Ze

+

- liczbę porządkową pierwiastka w układzie okresowym 

Mendelejewa. 

 

A -  Liczba 

masowa 

jądra. 

Jest to liczba nukleonów (tj. sumaryczna liczba protonów i 
neutronów) w jądrze. 
 

  - 

Liczba neutronów w jądrze. 

N

A Z

= −

 

 
 
Oznaczenia jąder atomowych 
 
 

A

Z

 

    - symbol chemiczny danego pierwiastka. 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 3 

Izotopy 
 
Są to jądra o jednakowych  , ale różnych  A
Większość pierwiastków ma po kilka stabilnych izotopów. 
Stabilne izotopy tlenu: 

16

8

O , 

17

8

O, 

18

8

O . 

Izotopy wodoru: 
 

1
1

H   -  zwykły wodór, prot (trwały), 

 

2

1

H   -  ciężki wodór, deuter (trwały), 

 

3

1

H  - tryt (promienitwórczy). 

 
 
Inne klasyfikacje jąder atomowych 
 
Izobary - Są to jądra o jednakowych liczbach masowych  A

Np. 

40
18

Ar  i 

40
20

Ca . 

 

Izotony - Jądra o jednakowych liczbach neutronów. 

Np. 

13

6

C   i 

14

7

N . 

 

Izomery -  Promieniotwórcze 

jądra o jednakowych liczbach  A i  , ale 

różniące się czasem połowicznego zaniku. 
Np. istnieją dwa izomery jądra 

80
35

Br : 

1

18 min.

τ

=

2

4,4 h

τ

=

 
 
Znanych jest ok. 1500 jąder różniących się wartościami albo  A, albo  
albo wartościami obu tych liczb jednocześnie. Z nich ok. 300 jest 
trwałych, pozostałe są promieniotwórcze. Wiele jąder zostało 
wytworzonych w sposób sztuczny. 
 
Na Ziemi występują pierwiastki o liczbach atomowych   od 1 do 92. 
Wyjątek stanowią 

43

Tc (technet) i 

61

Pm  (promet), które otrzymano 

sztucznie. Na Ziemi występuje również w znikomych ilościach 

94

Pu  

(pluton). Pozostałe (transuranowe) pierwiastki (

(93,104)

Z

=

 zostały 

wytworzone sztucznie. 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 4 

Wymiary jąder atomowych 
 
W pierwszym przybliżeniu można uważać, że jądro ma postać kuli o 
promieniu 
 

15 3

1,3 10

m

r

A

=

   

 objętość jądra A

∼ . 

Wynika stąd, że gęstość materii we wszystkich jądrach jest w przybliżeniu 
jednakowa. 
 
 
Masa jądra i energia wiązania 
 
Masa jądra 

N

 jest zawsze mniejsza od sumy mas cząstek wchodzących w 

jego skład. Przy łączeniu się nukleonów w jądro wydziela się energia 
wiązania 

w

 

 

{

}

2

(

)

w

p

n

N

E

Zm

A Z m

m c

=

+

 

 

N

  - masa spoczynkowa jądra. 

 
Energia wiązania jest równa pracy, jaką należy wykonać, aby rozdzielić 
jądro na składające się nań nukleony i odsunąć je na takie odległości, przy 
których praktycznie nie oddziałują one ze sobą. 
 
Z dobrym przybliżeniem również zachodzi 
 

[

]

{

}

2

H

(

)

w

n

a

E

Zm

A Z m

m c

=

+

 

 

H

 - masa atomu wodoru, 

 

a

  - masa danego atomu. 

 
 
Defekt masy jądra 
 
Jest to wielkość 
 

(

)

p

n

N

Zm

A Z m

m

∆ =

+

 

Zachodzi również 
 

2

/

w

E c

∆ =

 

Współczynnik - 
upakowania 

Defekt masy przypadający na jeden nukleon 
(

A

). 

 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 5 

Defekt masy jądra, cd. 
 
Np. dla 

4
2

He  można wyliczyć, że /

7,1 MeV

w

E

A

=

, co oznacza, że energia 

ta jest około 

6

10

 razy większa od energii wiązania elektronów 

walencyjnych w atomach (które są rzędu 10 eV ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Najsilniej związane są nukleony w jądrach o liczbach masowych rzędu 50-
60, co odpowiada pierwiastkom od Cr do Zn. 
 
Wydzielanie dużych energii powinno towarzyszyć dwu typom reakcji: 

1) podział ciężkich jąder na kilka lżejszych ( 240 MeV

 na 1 podział), 

2) łączenie (synteza) lekkich jąder w jedno jądro ( 24 MeV

 dla reakcji 

2

2

4

1

1

2

H

H

He

+

=

). 

 
W zwykłych warunkach ciężkie jądra nie dzielą się spontanicznie na kilka 
części, bo w tym celu muszą przejść szereg stanów pośrednich, których 
energie są wyższe niż energia stanu podstawowego jądra. U podstaw 
działania reaktorów jądrowych i bomby atomowej leży proces dzielenia 
się jąder uranu pod wpływem pochwyconych przez jądra neutronów. 
 
Jądra lekkie nie łączą się samorzutnie w jądra cięższe, gdyż w tym celu 
muszą się one zbliżyć na bardzo małą odległość (

15

10 m

). Takiemu 

zbliżeniu przeciwdziała ich kulombowskie odpychanie. Dla zaistnienia 
takich reakcji potrzebne są bardzo wysokie temperatury rzędu kilku 
milionów kelwinów. 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 6 

Siły jądrowe 
 
Jądrowe oddziaływanie między nukleonami otrzymało nazwę 
oddziaływania silnego. Oddziaływanie to ma charakter przyciągający. 
Według współczesnych poglądów oddziaływanie silne uwarunkowane jest 
tym, że nukleony wymieniają ze sobą wirtualne cząstki, które nazwano 
mezonami. 
 
Własności sił jądrowych: 
 
Krótkozasięgowość Zasięg działania sił jądrowych jest rzędu 

15

10 m

. W 

odległościach istotnie mniejszych od 

15

10 m

 

przyciąganie nukleonów zamienia się w 
odpychanie. 
 

Niezależność 
ładunkowa 

Oddziaływanie silne nie zależy od ładunku 
nukleonów. Siły jądrowe działające między dwoma 
protonami, miedzy protonem i neutronem oraz 
między dwoma neutronami mają tę sama wielkość. 
 

Zależność od 
orientacji spinów 

Siły jądrowe zależą od wzajemnej orientacji spinów 
nukleonów. Np. proton i neutron tworzą jądro 
ciężkiego wodoru - deuteron - gdy ich spiny są 
równoległe. 
 

Niecentralność Siły jądrowe nie są skierowane wzdłuż prostej 

łączącej środki oddziaływujących ze sobą 
nukleonów. Wynika to, np. stąd, że zależą one od 
orientacji spinów nukleonów. 
 

Wysycanie Każdy nukleon w jądrze oddziałuje z ograniczoną 

liczbą nukleonów. Powoduje to, że energia wiązania 
przypadająca na jeden nukleon oraz gęstość jądra 
nie rośnie ze wzrostem liczby nukleonów.  

 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 7 

Promieniotwórczość 
 
Jest to samorzutne przekształcanie się - z towarzyszeniem emisji cząstek 
elementarnych - jednych jąder atomowych w inne. Przekształceniom takim 
ulegają jedynie jądra nietrwałe. 
 
Rodzaje procesów promieniotwórczych: 

1) rozpad 

α

2) rozpad 

β

 (w tym również wychwyt elektronu), 

3) jądrowe promieniowanie 

γ

4) spontaniczne dzielenie się ciężkich jąder, 
5) promieniotwórczość protonowa. 

 
Promieniotwórczość   - 
naturalna 

Promieniotwórczość jąder występujących w 
przyrodzie. 
 

Promieniotwórczość   - 
sztuczna 

Promieniotwórczość jąder otrzymanych droga 
reakcji jądrowych. 

 
 
Prawo przemian promieniotwórczych 
 
Poszczególne jądra promieniotwórcze ulegają przemianom niezależnie od 
siebie. Można zatem przyjąć, że 
 

( )

dN

N t dt

λ

= −

 

dN

  - 

przyrost liczby jąder w ciągu krótkiego czasu 

dt

λ

 - stała rozpadu, stała charakterystyczna dla danej substancji 

promieniotwórczej. 
 

( )

N t

 - 

liczba jąder promieniotwórczych w danej chwili. 

 
Aby 

dN

 mogło być uważane za przyrost liczby jąder promieniotwórczych, 

użyto znaku minus. 
 
Po scałkowaniu: 
 

0

( )

t

N t

N e

λ

=

 

 

0

  - liczba jąder w chwili początkowej (dla 

0

t

=

). 

 

Liczba jąder promieniotwórczych maleje eksponencjalnie. 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 8 

Czas połowicznego zaniku 
 
Jest to czas, w ciągu którego rozpada się połowa początkowej liczby jąder. 
Oznaczany jest przez , a jego zależność od stałej rozpadu wyliczana jest 
z warunku: 

 

0

0

1
2

T

N

N e

λ

=

   

 

ln 2

0,693

T

λ

λ

=

=

 

 
 
Aktywność substancji promieniotwórczej 
 
Jest to liczba rozpadów, jakie zachodzą w preparacie w jednostce czasu. 
Jeżeli w preparacie w ciągu czasu 

dt

 ulega rozpadowi 

rozp

dN

dN

= −

 jąder, 

to aktywność 

( )

A t

 jest równa  

 

rozp

( )

( )

dt

dN

dN

A t

N t

dt

λ

=

= −

=

 

 
 
Średni czas życia jądra promieniotwórczego 

τ

 

 

rozp

rozp

0

0 0

0

1

,

( )

1

,

ln 2

t

t

t dN

dN

dN

N t dt

N e dt

N

t e dt

T

λ

λ

τ

λ

λ

τ λ

τ

λ

= −

=

=

=

=

=

 

 
 
Rozpad 

α

 

 
Podczas rozpadu 

α

 emitowane jest promieniowanie 

α

, które stanowi 

strumień jąder helu 

4
2

He . Przemiana przebiega wg schematu 

 
 

4

4

2

2

He

A

A

Z

Z

X

Y

+

,     np. 

238

234

4

92

90

2

U

Th

He

+

 

 
Energia cząstki 

α

 jest różna dla różnych przemian. Średnio wynosi ok. 

6 MeV . Odpowiada to prędkościom rzędu 

7

10 m/s

  ( 0,1 c

). 

Promieniowanie 

α

 powoduje jonizację powietrza, jego zasięg w powietrzu 

pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi kilka centymetrów. 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 9 

Rozpad 

β

 

 
Są trzy rodzaje rozpadu 

β

-  emisja elektronu przez jądro - rozpad 

β

-  emisja pozytonu przez jądro - rozpad 

β

+

-  wychwyt przez jądro elektronu z powłoki KL lub nawet L

 
 
Rozpad 

β

 

 
Przebiega wg schematu: 
 
 

0

1

1

A

A

Z

Z

X

Y

e

ν

+

+

+

" ,  

 

np. 

234

234

0

90

91

1

U

Pa

e

ν

+

+

"  

 

ν

"

 - 

antyneutrino. 

 
Proces ten przebiega tak, jakby jeden z neutronów jądra 

A

Z

 przekształcał 

się w proton. Rozpadowi 

β

 może towarzyszyć promieniowanie 

γ

 
 
 
Rozpad 

β

+

 

 
Przebiega wg schematu: 
 
 

0

1

1

A

A

Z

Z

X

Y

e

ν

+

+

+

,  

 

np. 

13

13

0

7

6

1

N

C

e

ν

+

+

+

 

 

ν

"

 - 

neutrino. 

 
Proces ten przebiega tak, jakby jeden z protonów jądra 

A

Z

 przekształcał 

się w neutron emitując przy tym pozyton i neutrino 
 

p

n e

ν

+

→ + +

 

Proces taki nie jest możliwy w przypadku swobodnego protonu, bo jego 
masa jest mniejsza od masy neutronu. 
Rozpadowi 

β

+

 może towarzyszyć promieniowanie 

γ

background image

 

Fizyka jądra atomowego 10 

Wychwyt elektronowy 
 
W tym procesie jądro pochłania jeden z elektronów K (rzadziej jeden z 
elektronów L lub M). Następnie jeden z protonów przekształca się w 
neutron i neutrino 
 

p e

n

ν

+ → +

 

Schemat wychwytu elektronowego ma postać 
 

0
1

1

A

A

Z

Z

X

e

Y

ν

+

+

,  

 

np. 

40

0

40

19

1

18

K

Ar

e

ν

+

+

 

Wychwytowi elektronowemu może towarzyszyć promieniowanie 

γ

 
 
Reakcje jądrowe 
 
Reakcją jądrową nazywamy proces oddziaływania silnego między jądrem 
atomowym a cząstką elementarną lub innym jądrem , prowadzący do 
przemiany jądra (lub jąder). Dla zajścia reakcji jądrowej wymagane jest 
zbliżenie reagujących cząstek na odległość rzędu 

15

10 m

 
Najbardziej rozpowszechniony rodzaj reakcji: 
 

X a

Y b

+ → +

 

,

X Y       -  jądra atomowe, 

,

a b

       -  cząstki lekkie. Cząstką lekką może być: neutron (), 

proton ( ), deuteron (

d

), cząstka 

α

 (

α

) i foton (

γ

). 

 
Skrócona forma zapisu reakcji jadrowej: 
 

( , )

X a b Y

 

 
Ciepło reakcji  -  Ciepło wydzielane podczas reakcji jądrowej. 

Określone jest przez różnicę mas jąder przed i po 
reakcji. Jeżeli suma mas jąder tworzących się w 
wyniku reakcji jest większa od sumy mas jąder 
wyjściowych , to reakcja przebiega z pochłanianiem 
energii i ciepło reakcji jest ujemne. 

 

background image

 

Fizyka jądra atomowego 11 

Rozszczepienie jąder 
 
Może być np. powodowane przez napromieniowanie ciężkich jąder (

235

92

U , 

232

90

Th , 

231

91

Pa , 

239

94

Pu ) neutronami, protonami, deuteronami, cząstkami 

α

lub fotonami 

γ

). 

Największe znaczenie ma rozszczepienie uranu 

235

92

U . Jeden z możliwych 

schematów takiego rozszczepienia: 
 
 

235

140

94

92

55

37

U

Cs

Rb 2

n

n

+ →

+

+

 

 
Jądra 

235

92

U   mogą być rozszczepiane przez neutrony o dowolnych 

energiach, ale szczególnie łatwo przez neutrony powolne. 
 
 
 
 
Reakcja łańcuchowa 
 
Przy rozszczepieniu 

235

92

U , 

239

94

Pu  emitowanych jest kilka neutronów, co 

umożliwia realizacje reakcji łańcuchowej. Każdy z wyemitowanych 
neutronów może wywołać rozszczepienie kolejnego jądra. Zatem liczba 
neutronów pojawiających się w kolejnych pokoleniach rośnie w postępie 
geometrycznym. 
 
Przy małych objętościach ciała rozszczepialnego duża część neutronów 
opuszcza to ciało bez wywołania rozszczepienia i reakcja łańcuchowa nie 
zachodzi. Do zaistnienia reakcji łańcuchowej potrzebna jest pewna 
minimalna masa ciała rozszczepialnego - tzw. masa krytyczna. 
 
W uranie naturalnym reakcja łańcuchowa nie zachodzi, bo w nim tylko 
0,72% stanowi 

235

92

U . 99,27% to 

238

92

U , który pochłania neutrony bez 

późniejszego rozszczepienia.  

background image

 

Fizyka jądra atomowego 12 

Bomba atomowa 
 

 
Do zapoczątkowania reakcji łańcuchowej wystarczy pewna liczba 
neutronów wytwarzanych np. przez promieniowanie kosmiczne. 
 
 
Reaktor uranowo-grafitowy 
 
Jest to inny sposób przeprowadzania reakcji łańcuchowej.  
Paliwo: uran naturalny, lub nieco wzbogacony w 

235

92

U . 

 

 
Oprócz wytwarzania energii reaktor taki może przetwarzać 

238

92

U   w 

239

94

Pu , 

stosowany do produkcji bomb atomowych lub w reaktorach działających 
na szybkich neutronach. 

1 -  Dwa lub więcej kawałki czystego 

235

92

U  lub 

239

94

Pu . 

Masa każdego kawałka jest mniejsza niż 
krytyczna, dzięki temu nie rozwija się reakcja 
łańcuchowa. 
 

2 -  Konwencjonalny ładunek wybuchowy (zapalnik). 

 

3 -  Korpus z metalu o dużej gęstości. Ma za zadanie 

odbijanie neutronów i powstrzymanie ładunku 
jądrowego przed rozpyleniem się dopóki 
możliwie duża liczba jąder nie wyzwoli swojej 
energii w wyniku rozszczepienia. 

1 -  Moderator (grafit). Spowalnia 

neutrony do prędkości termicznych po 
to, by nie były one absorbowane przez 

238

92

U  

 

2 -  Bloki uranu. 

 

3 -  Pręty zawierające kadm lub bor. Silnie 

pochłaniają neutrony, regulują 
współczynnik powielania neutronów. 
Pozwalają wytwarzaną w reaktorze 
moc na odpowiednim poziomie.