16. FIZYKA JĄDRA ATOMOWEGO Zakres wiadomości Odkrycie i

16. FIZYKA JĄDRA ATOMOWEGO
Zakres wiadomości





Odkrycie i budowa jądra atomowego (doświadczenie Rutheforda)
Rozszczepienie jądra atomowego
Promieniotwórczość naturalna
Okres połowicznego rozpadu
Cząstki elementarne
Odkrycie i budowa jądra atomowego (doświadczenie Rutheforda)
Demokryt zakładał, że wszelka materia składa się z niepodzielnych i niezmiennych cząstek – atomów.
Uważano, że atomy są najmniejszymi, niepodzielnymi elementami materii. Doświadczenie Rutheforda
polegało na bombardowaniu bardzo cienkiej płytki złota cząstkami emitowanymi przez rad, wykazały, że
przestrzeń wewnątrz atomów jest prawie pusta, jedynie w ich środku znajduje się jądro, stanowiące
przeszkodę dla przenikających atomy cząstek alfa, a więc mające taką własność, jakby w nich skupiała się
całkowita masa atomu. Promień najmniejszego jądra w atomie wodoru wynosi 1,3 ·10-15m, a promień jąder
najcięższych jest rzędu 8 ·10-15m. Natomiast średnica otaczającej jądro powłoki utworzonej z elektronów,
będąca średnicą atomu zmienia się w granicach od 5 ·10 -11m do 3 ·10-10m, czyli jest przeciętnie około
40 000 razy większa od średnicy jądra atomowego. Poglądowo: jeżeli atom wodoru ma średnicę około 5m,
to jego jądro około 0,2mm.
Jądro atomowe ma dodatni ładunek elektryczny, natomiast otaczająca go powłoka elektronowa ma takiej
samej wartości ładunek ujemny.
Jądro atomowe pierwiastków składają się w zasadzie z dwóch rodzajów cząstek elementarnych, zwanych
nukleonami. Nukleon to: proton (+)e = 1,602· 10-19C oraz neutron (0)n. Masa protonu mp = 1,673 ·10-27 kg,
masa neutronu mn = 1,675 ·10-27 kg.
Pierwiastek opisywany jest dwoma liczbami : liczba atomowa Z oznacza liczbą protonów, która jest równa
liczbie elektronów, oraz liczba masowa A oznacza liczbę protonów i neutronów. Jeżeli przez X oznaczymy
symbol pierwiastka, to
A
Z
X.
Trwałość jąder atomowych świadczy o tym, że między nukleonami w jądrze występują bardzo duże siły
przyciągania. Noszą one nazwę sił jądrowych, przy czym ich wartości przekraczają wielokrotnie siły
odpychania elektrycznego protonów. Zasięg oddziaływania sił jądrowych jest bardzo niewielki
odpowiadający średniej odległości między sąsiednimi nukleonami w jądrze. Ponadto cechą
charakterystyczną sił jądrowych jest to, że każdy nukleon w jądrze oddziałuje tylko na najbliższe, sąsiednie
nukleony. Najtrwalsze wiązanie nukleonów odpowiada cząstce alfa( jądro helu) złożonej z dwóch protonów
i dwóch neutronów. W jądrach pierwiastków ciężkich zawierających większą ilość protonów znacznie
wzrastają siły odpychania elektrycznego i siły jądrowe nie mogą już zapewnić trwałości jądra. . Dlatego też
jądra o liczbie masowej A> 210 są na ogół nietrwałe i ulegają samorzutnemu rozpadowi.
Izotopy – odmiany pierwiastków mających takie same własności chemiczne, zajmują to samo miejsce w
układzie pierwiastków, różniące się liczbą masową, czyli ilością neutronów.
Ciężka woda – połączenie deuteru z tlenem – posiada własności spowalniania szybkich neutronów.
Rozszczepienie jądra atomowego
Podziałowi jąder ciężkich na fragmenty ( czyli jądra o mniejszej liczbie nukleonów), których łączna energia
wiązania jest większa od energii wiązania jądra pierwotnego towarzyszy wydzielenie się energii w ilości
równoważnej tej różnicy.
Mechanizm rozszczepienia np. jądra uranu można wytłumaczyć za pomocą kroplowego modelu jądra, który
w analogii do kropli cieczy dzieli się na dwie mniejsze krople.
Jeżeli do wnętrza jądra wpadnie z dużą prędkością neutron, to wprawi je w drgania, w wyniku których
jądro będzie się wydłużać. Wskutek tego siły jądrowe nie będą mogły utrzymać jądra w całości i nastąpi
jego podział na dwie części. W procesie rozszczepienia powstają dwa ciężkie fragmenty oraz zostaje
uwolnionych kilka swobodnych neutronów, a równocześnie następuje wyzwolenie olbrzymiej ilości energii,
która w większości jest natychmiast przekazywana otoczeniu i zamieniona na ciepło. Uwolnione w trakcie
rozszczepienia jądra uranu 2 lub 3 swobodne neutrony działają jak pociski wywołując po zderzeniu z innymi
jądrami uranu dalsze rozszczepienia. Proces ten przebiega lawinowo i nosi nazwę reakcji łańcuchowej.
Promieniotwórczość naturalna
Odkrył ją Becquerel ( Bekerel) stwierdzając, że minerały zawierające uran emitują niewidoczne dla oka
promieniowanie przenikające przez ciała nieprzeźroczyste i działające na kliszę fotograficzną. Zjawisku
temu towarzyszy powstawanie nowych pierwiastków, a więc jago istota polega na samorzutnych
przemianach zachodzących w jądrach atomowych. Stwierdzono, że pierwiastki radioaktywne emitują trzy
rodzaje promieniowania i różnej naturze: α, β, γ .
Promieniowanie α: cząstki α mają prędkość rzędu 107 m/s jest stosunkowo mało przenikliwe ( kilka cm),
ma silne właściwości jonizujące. W polu magnetycznym odchylają się w tę samą stronę co ładunki
dodatnie.
Promieniowanie β: swobodne elektrony powstające w wyniku przemiany w jądrze neutronu w proton,
prędkość cząstek od 0,3 ·108 do 3 ·108 m/s, zasięg kilku metrów, przenika przez osłony metalowe o
kilkumilimetrowej grubości, w polu magnetycznym wiązka promieni β odchyla się w stronę , w którą
odchylają się ładunki ujemne.
Promieniowanie γ – bardzo krótkie fale elekromagnetyczne o długościach od 10-12 m do 10-10 m. Ma
niewielką zdolność jonizacji, jest niezwykle przenikliwe i może przechodzić przez płyty metalowe nawet o
grubości kilkunastu centymetrów. W polu magnetycznym promieniowanie nie ulega odchyleniu, promienie
γ są pochłaniane najsilniej przez ołów.
Przemiany jądrowe:
- typu α:
- typu β:
A
Z
X  ZA42Y  24
A
Z
X  Z A1Y  10 e
Okres połowicznego rozpadu
Samorzutne przemiany jądra, czyli rozpad pierwiastka nie następuje równocześnie w całej masie, ale w ten
sposób, iż w jednakowych i ściśle określonych dla każdego pierwiastka odstępach czasu zwanych okresem
połowicznego rozpadu lub półokresem, rozpada się połowa jego atomów.
Cząstki elementarne
Są to składniki jądra: protony i neutrony, elektrony, pozytony, neutrina, miony, piony. Jest ich ponad 200.
Większość z tych cząstek ma bardzo krótki żywot i ulega rozpadowi na inne cząstki elementarne. Prawie
każdej cząstce elementarnej odpowiada antycząstka, której masa spoczynkowa, ładunek elektryczny ma
taką samą wartość, lecz jest przeciwnego znaku, np. elektron i pozyton. Antycząstki tworzą antymaterię.
ZADANIA
a/ zadania testowe
1. W nagrywarkach CD do zapisu informacji na płytach stosowany jest:
a/ emiter fal radiowych
b/ emiter elektronów
c/ laser
d/ rozgrzany koniec głowicy
e/ emiter fal dźwiękowych
rozwiązanie: w nagrywarkach CD do zapisu informacji na płytach CD stosowany jest laser. Prawidłowa
odpowiedź: c
2.
b/ zadania tekstowe
1. Cząstki alfa stosowane w doświadczeniu Rutheforda poruszały się z prędkościami około 15 000
km/s. Jaka była ich energia kinetyczna.
2. Niezwykle cienka płytka ze złota w tym doświadczeniu miała grubość około 0,0004mm. Na grubość
tę składało się blisko 400 warstw atomów złota. Oblicz, przyjmując, że atomy złota stykają się ze
sobą – ile wynosi w przybliżeniu promień atomu złota.
c/ problemy i doświadczenia
1. Schemat doświadczenia Rutheforda przedstawia rysunek:
1- Ołowiany pojemnik z substancją wysyłającą cząstki alfa
2- Wiązka cząstek alfa
3- Cieniutka płytka ze złota
4- Ekran, który cząstki alfa pobudzają do świecenia
a/ dlaczego substancja wysyłająca cząstki alfa umieszczona była w ołowianym pojemniku
b/ czy to, że płytka złota jest cienka wiąże się z ceną złota
c/ jak wiemy przy przejściu przez złotą płytkę istnieją trzy możliwości zachowania się cząstek alfa:
- odbicie od płytki
-przejście bez zmiany kierunku
- przejście z odchyleniem od ich pierwotnego kierunku ruchu.
Która z tych możliwości występują najczęściej, a która najrzadziej. Dlaczego.