Vypracovala: B. Horváthová

 

 

Atómové jadrá sú zložené sústavy . Skladajú sa z nukleónov t. j. neutrónov a protónov . Iba jadro atómu vodíka je jednoduchou sústavou. Zloženie jadier je dôležité nielen pre fyziku , ale aj pre chémiu . Elektrický náboj jadra qj = +Ze, e = 1,602*10-19C, závisí len od protónového čísla.

 

Nuklid je tvorený atómami , ktorých jadrá majú rovnaké protónové číslo Z aj rovnaké nukleónové číslo A. Izotopy sú rôzne nuklidy jedného prvku , majú rovnaké protónové číslo a rôzne nukleónové čísl, teda majú aj odlišnú hmotnosť.

 

Je zaujímavé vypočítať súčet hmotností nukleónov v jadre m`j = Zmp + Nmn, porovnať ich so skutočnou , experimentálne určenou hmotnosťou jadra mj Hmotnosť jadra je vždy menšia ako súčet hmotností protónov a neutrónov. mj < m`j = Zmp + Nmn

 

 

Podľa Einsteinovho vzťahu ?E = ?mc2, kde ?m je zmena pokojovej hmotnosti sústavy.

 

Väzbová energia Ej jadra skladajúceho sa zo Z protónov a N neutrónov je s hmotnostným úbytkom Bj  viazaná vzťahom Ej = Bjc2, Bj = Zmp + Nmp - mj.

 

 

 

Čím väčšie je Bj , tým je v porovnaní so Zmp + Nmn jadro ľahšie, tým silnejšie sú nukleóny v jadre viazané. Energiu Ejmusíme jadru dodať , ak ho chceme rozložiť na jednotlivé nukleóny. Rovnako veľká energia Ej sa uvoľní pri syntéze jadra z jednotlivých nukleónov. Zavádza sa veličina väzbová energia pripadajúca na jeden nukleón εj = Ej / A, čím je väčšia väzbová energia εj, tým ťažšie je rozdeliť dané jadro na jednotlivé nukleóny.

 

 

 

 

 

 

Na grafe vidíme väzbovú energiu na jeden nukleón v jadrách s rôznymi nukleónovými číslami A. Niektoré jadrá sú veľmi stabilné. Rozličné hodnoty väzbovej energie pripadajúcej na jeden nukleón pre rôzne jadrá vysvetľujú procesy , pri ktorých sa uvoľňuje časť vnútornej energie jadier. Takéto procesy prebiehajú vo vnútri hviezd , kde sa uvoľňuje energia syntézou ľahších jadier na ťažšie . Jadrá s menšou väzbovou energiou sa menia na jadrá s väčšou väzbovou energiou a rozdiel energií sa uvoľňuje. V jadrových reaktoroch sa ťažké jadrá uránu štiepia na ľahšie , jadrá s menšou hodnotou väzbovej energie pripadajúcej na jeden nukleón prechádzajú na jadrá s väčšou hodnotou väzbovej energie a uvoľňuje sa rozdiel väzbových energií.

 

Obrovské hodnoty εj svedčia o veľkosti jadrových síl, ktoré viažu v jadre nukleóny, a to aj napriek silnému elektrostatickému odpudzovaniu kladne nabitých protónov. Príťažlivé jadrové sily pôsobiace medzi dvoma nukleónmi majú krátky dosah , rádovo 10-15m.

 

Štúdium jadrových síl patrí k ťažkým úlohám jadrovej fyziky. V teórii atómového jadra musíme brať do úvahy aj to , že nukleóny sú mikročastice a správajú sa podľa zákonov kvantovej fyziky . Procesy , ktoré prebiehajú v atómovom jadre , môžeme často charakterizovať iba určitou pravdepodobnosťou.

 

Pri mnohých jadrových procesoch sa mení časticové zloženie jadier. Existujú dva deje: syntéza ľahkých jadier (A < 56), štiepenie veľmi ťažkých jadier (A > 56, zvyčajne A > 200).

 

Pri týchto reakciách sa energia uvoľňuje. Symbolom Er tu označujeme energiu, ktorú treba dodať, ak sa má reakcia uskutočniť. Ak je energia záporná, tak sa v reakcii uvoľňuje. V reakciách sa uvoľnená energia prejaví tak, že produkty reakcie budú mať väčšiu kinetickú energiu ako jadrá, ktoré do reakcie vstúpili.

 

Aby sa syntéza jadier uskutočnila, je nevyhnutné aby sa kladne nabité jadrá vstupujúce do reakcie priblížili k sebe na vzdialenosť približne rovnajúcu sa dosahu jadrových síl. Na prekonanie elektrostatického odpudzovania jadier potrebujú častice veľkú energiu, niekoľko MeV. Potrebnú energiu môžu získať napríklad v horúcom plyne. Potom hovoríme o termonukleárnej syntéze. Riadená termonukleárna reakcia je sľubným zdrojom energie. Dosiaľ sa nepodarilo dosiahnuť dostatočne vysokú teplotu a hustotu plazmy. Pokusy sa uskutočňujú v zariadeniach, nazvaných Tokamak. Magnetické pole stláča plazmu vo vnútri nádoby do úzkeho zväzku a vzďaľuje ju od stien. Každá nádoba by sa totiž pri styku s horúcou plazmou roztavila a vyparila.

 

 

 

 

Na obrázku je zjednodušená schéma Tokamaku, 1-kovová prstencová nádoba, 2-plazma, 3- jadro elektromagnetu, prúdový impulz vo vinutí vyvolá elektrický prúd v plazme pozdĺž obvodu prstenca a magnetické pole tohto prúdu odďaľuje plazmu od stien nádoby.

 

Po objave neutrónu si fyzici uvedomili, že neutrón ktorý nemá elektrický náboj nebude od jadra odpudzovaný a preto by mohol byť účinný pri vyvolávaní jadrových reakcií.

 

Premeny jadier vyvolané dopadom neutrónov začal študovať Fermi. Pri týchto experimentoch zistil, že keď medzi zdroj neutrónov a ožarovanú vzorku vložil nádobu s vodou alebo parafín, rádioaktivita vzorky sa zväčšila. Pri prechode vodou alebo parafínom odovzdávajú neutróny časť svojej energie ľahkým jadrám v látke a spomaľujú sa. Pri vyvolávaní jadrových reakcií sú tieto pomalé neutróny účinnejšie ako pôvodné neutróny. Tento poznatok bol využitý pri konštrukcii jadrových reaktorov.

 

Pri ostreľovaní jadier uránu sa jadrá uránu štiepia na dve stredne ťažké jadrá.

 

 

sú nestabilné jadrá, ktoré sa neskôr ďalej rozpadajú. Koncových stavov daných reakcií je viac, ale majú dve spoločné vlastnosti: V každej reakcii sa uvoľňuje asi 200 MeV, z toho asi 80% ako kinetická energia jadier a neutrónov v koncovom stave a vo väčšine reakcií vznikajú opäť neutróny. Štiepenie jadier uránu je teda zdrojom obrovskej energie.

 

Táto energia bola použitá v zbrojárskom priemysle ale aj v jadrových elektrárňach.

 

Úlohy:

1) Vysvetlite hmotnostný úbytok jadra.

2) Čo je to syntéza jadier?

3) Aké sú to štiepne reakcie?

 

Obrázková príloha:

  • učebnica Fyzika pre 4. Ročník gymnázia ,J. Pišút a kol.

 

Použitá literatúra:

  • J. Pišút a kol. – Fyzika pre 4. Ročník gymnázia

  • P. Tarábek – Zmaturuj z fyziky