Jaderná fyzika

28) Jaderná fyzika
Fyzika atomového jádra, stručně jaderná nebo nukleární fyzika (z lat. nucleus – jádro), se zabývá složením a strukturou jader atomů, zákonitostmi jaderných dějů a jejich využitím v praxi.
Jádro atomu tvoří centrální část atomu o poloměru řádově 10-15 m a jeho hmotnost prakticky určuje celkovou hmotnost atomu. Jádra všech atomů se skládají z jaderných částic – protonů a neutronů, které označujeme jako nukleony.
Proton je částice s kladným elektrickým nábojem, jehož hodnota je rovna elementárnímu náboji (C). Klidová hmotnost protonukg. Proton je stabilní částice a značíme ho symbolem nebo , poněvadž je to v podstatě jádro atomu vodíku. Dolní index určuje jednotkový náboj protonu +e a horní index jednotkovou hmotnost protonu (viz dále).
Neutron je částice bez elektrického náboje a jeho klidová hmotnost kg. Ve volném stavu je neutron nestabilní a přeměňuje se na proton. Pro označení neutronu používáme symbol .
Jestliže jádru atomu dodáme energii, může se v něm proton přeměnit na neutron podle rovnice
Při tomto ději vznikají kromě neutronu další částice; pozitron a neutrino . Pozitron má náboj +e a hmotnost kg (hmotnost elektronu). Neutrino je částice bez elektrického náboje, jejíž hmotnost je zanedbatelná vzhledem ke klidové hmotnosti elektronu.
Obdobně se může měnit neutron na proton podle rovnice
kde je symbolem elektronu a je částice zvaná antineutrino.
Vlastnosti a složení jader atomů
Jádro atomu chemického prvku X charakterizuje počet a druh nukleonů, z nichž je jádro složeno.
Protonové (atomové) číslo Z vyjadřuje počet protonů v jádře a je to současně pořadové číslo chemického prvku v Mendělejevově periodické soustavě prvků. Pomocí protonového čísla určujeme celkový kladný náboj jádra atomu .
Neutronové číslo N udává počet neutronů v jádře atomu.
Nukleonové (hmotnostní) číslo vyjadřuje počet nukleonů v jádře atomu.
Složení jádra je patrné ze symbolu jádra atomu určitého chemického prvku . Tímto symbolem charakterizujeme obvykle nejen jádro, ale i atom nebo látku složenou ze stejných atomů a používáme pro ni název nuklid (tedy je tvořený atomy, jejichž jádra mají stejné protonové číslo Z i stejné nukleonové číslo A).
Atomy téhož chemického prvkuse mohou lišit hodnotou nukleonového čísla (tedy i hmotností). Dva různé nuklidy,, kde , jsou izozopy (jsou to tedy nuklidy téhož prvku, jež mají stejné protonové číslo, ale různé nukleonové číslo).
V přírodě existuje jen 264 stabilních izotopů chemických prvků a asi 50 nestabilních nuklidů, jejichž postupnou přeměnou vznikají nuklidy stabilní. Tyto nestabilní nuklidy jsou radioaktivní a nazýváme je radionuklidy. Kromě toho je známo asi 2 000 nestabilních nuklidů připravených uměle, až do Z = 114. Nuklidy s malou hodnotou protonového čísla jsou stabilní a vesměs mají v jádře atomu stejný počet protonů a neutronů (Z = N). Nuklidy s větším atomovým číslem mají mnohem více neutronů než protonů (např. nuklid uranu má v jádře o 54 neutronů víc než protonů. Pro Z ( 83 (bismut ) již stabilní nuklidy neexistují. Studium vlastností nuklidů ukázalo, že stabilnější než ostatní jsou jádra atomů, jejichž hodnoty protonového a neutronového čísla odpovídají tzv. magickým číslům 2, 8, 20, 28, 50, 82 a pro neutronové číslo ještě 126 (např. , ,apod.).
Pro poloměr R atomového jádra, které má nukleonové číslo A, platí závislost: , kde R0 = 1,3 ( 10-15 m.
Vazebná energie jádra
Stav, v němž existují nukleony v jádře atomu, se podstatně liší od stavu, v němž jsou jako volné částice. Mezi nukleony působí značné jaderné síly, kterými jsou nukleony vázány v jádře. Tyto síly jsou mnohonásobně větší než odpuzování způsobené kladným nábojem protonů.
Vazebná energie jádra EV je fyzikální veličina odpovídající práci, kterou je třeba vykonat, aby jádro bylo rozčleněno na jednotlivé nukleony. Tato energie jádra je složkou vnitřní energie tělesa.
Podle zákona zachování energie se stejná energie musí uvolnit při složení jádra z jednotlivých nukleonů. To znamená, že vazebná energie jádra je určena rozdílem mezi energií volných nukleonů a jejich energií, jsou-li vázány v jádře.
Podle Einsteinova vztahu mezi energií a hmotností každé změně vnitřní energie E odpovídá změna hmotnosti m podle vztahu . Na základě tohoto vztahu je vazebná energie jádra EV složeného ze Z protonů a N neutronů určena výrazem
Veličinu nazýváme hmotnostní schodek jádra. Je to rozdíl mezi celkovou hmotností nukleonů a skutečnou (experimentálně zjištěnou) hmotností jádra , které je z nich složeno. Vazebná energie jádra je značná a tomu odpovídá i hmotnostní schodek, který v průměru dosahuje 1 % hmotnosti jádra. Např. pro jádro je (kde jednotka u je vedlejší jednotkou hmotnosti, kg). Uvedená hodnota B odpovídá energii asi 93 MeV.
Vazebná energie jader jednotlivých nuklidů se navzájem liší a pro jejich srovnání se zavádí veličina vazebná energie připadající na jeden nukleon:
Závislost veličiny na nukleonovém čísle je graficky znázorněna na obrázku.
Největší hodnota přísluší prvkům ve střední části periodické soustavy od Si do Ba (tzn. 28 ( A ( 138). U těchto jader je8,7 MeV na nukleon. S rostoucím nukleonovým číslem se zmenšuje a např. pro uran je 7,6 MeV na nukleon. U nízkých hodnot nukleonových čísel jsou patrná charakteristická maxima a minima . Maxima příslušejí prvkům se sudým počtem protonů (He, C, O) a minima odpovídají prvkům s lichým počtem protonů (H, Li, B).
Rozdíly ve vazebné energii připadající na nukleon v jádře různých prvků umožňují realizovat jaderné děje, při nichž se uvolňuje jaderná energie. Největší význam mají jaderné reakce a syntézy jader (viz dále).
Značné hodnoty vazebné energie nukleonů svědčí o tom, že jaderné síly jsou jiného druhu než síly gravitační a elektromagnetické. Jaderné síly jsou projevem silné jaderné interakce, která je jednou ze čtyř základních fyzikálních interakcí.
Jaderné síly, které působí mezi nukleony, se vyznačují tím, že:
jsou přitažlivé a nezávisí na náboji nukleonu
mají krátký dosah, čili působí jen do nepatrné vzdálenosti od nukleonu (řádově 10-15 m)
projevují nasycenost, což znamená, že nukleon působí jen na omezený počet nukleonů ve svém okolí.
Radioaktivita
Radioaktivita je jaderný děj, při němž se nestabilní izotop určitého prvku (radionuklid) mění na izotop jiného prvku, přičemž se z jádra radionuklidu uvolňují určité částice.
Přirozená radioaktivita je vlastnost radionuklidů existujících v přírodě. Umělá radioaktivita existuje u radionuklidů připravených uměle pomocí jaderných reakcí (viz dále).
Přirozenou radioaktivitu objevil v roce 1896 francouzský fyzik H. Becquerel (bekerel) při studiu záření solí uranu, a tak položil základ vývoje jaderné fyziky. Dalším příspěvkem k poznání tohoto prvního čistě jaderného jevu byly práce manželů M. Curie-Sklodowské (Kyri) a P. Curie, kteří v roce 1898 z uranové rudy (smolince) izolovali dosud neznámé radioaktivní prvky – polonium a radium .
Později byly objeveny další přirozené radioaktivní prvky, jichž je v současné době asi 50. jsou to převážně izotopy těžkých prvků, které v periodické soustavě leží mezi olovem a uranem (82 ( Z ( 92). Existují však i přirozené radionuklidy s malými protonovými čísly, např. , , aj.
Radionuklidy vyzařují tři druhy jaderného záření, označované jako záření (, záření (, záření (. Lze je rozlišit např. na základě odklonu záření v magnetickém poli, jehož magnetická indukce je kolmá k nákresně (viz obrázek).
Záření ( je proud jader atomů helia (částice (, helion ), a nese tedy kladný elektrický náboj. Částice mají velkou rychlost (řádově 107 m ( s-1), a tedy i značnou energii (2 MeV až 8 MeV), která je kvantována. V magnetickém a elektrickém poli se záření odchyluje na opačnou stranu než záření (- a zakřivení jeho trajektorie je menší. To svědčí o opačném náboji obou záření a větší hmotnosti (.
Záření (- je proud elektronů (, e-), které vyletují z jádra atomu. Malá hmotnost částic záření se projevuje výrazným zakřivením trajektorie v magnetickém a elektrickém poli. Energie elektronů záření dosahuje 10 MeV (není ale kvantována) a jejich rychlost se blíží rychlosti světla. Elektrony v jádře vznikají přeměnou neutronu podle rovnice na první straně. Tato přeměna představuje jeden ze základních dějů při radioaktivních přeměnách jader atomů.
Záření (+ je proud pozitronů (, e+) vyzařovaných některými radionuklidy při jaderných přeměnách (viz dále).
Záření ( se v magnetickém ani elektrickém poli neodchyluje, poněvadž je to elektromagnetické vlnění. Jeho vlnová délka je ještě kratší než vlnová délka tvrdého rentgenového záření (( ( 10-2 nm). Záření ( má výrazný kvantový ráz, takže se projevuje jako proud částic (fotonů (). Záření ( neexistuje samostatně, ale vždy provází jaderné děje, při nichž vzniká záření ( nebo (.
Zdrojem záření ( je jádro izotopu, který právě vznikl přeměnou radionuklidu. Toto jádro má v okamžiku vzniku vyšší energii (excitované jádro). V krátké době (řádově 10-13 s) přechází do základního stavu a tento přechod je spojen s vyzářením fotonu záření (.
Při průchodu jaderného záření látkou dochází k interakcím záření s látkovým prostředím. To se projevuje tím, že záření:
má chemické účinky (způsobuje zčernání fotografické emulze). Záření ( je nebezpečné při požití nebo vdechnutí (v organismu ho nic neodstíní). Záření ( je nejškodlivější (způsobuje nemoc z ozáření, rakovinu a genetické změny), ale také ničí mikroorganismy (sterilizace). V průmyslu může ( záření nahradit rentgenové záření.
ionizuje plyny, popř. i pevné a kapalné látky, kterými prochází (záření ( silné ionizační účinky, záření ( má ionizační účinky menší). Záření ( silně ionizuje plyny a v důsledku fotoelektrického jevu má schopnost uvolňovat z látky elektrony nebo celé ionty.
vzbuzuje luminiscenci některých látek. Současně se záření zeslabuje, nastává pohlcování (absorpce) záření. Poměrně snadno lze zeslabit pomocí překážek z vhodného materiálu záření ( a (. Např. záření ( se pohltí tlustým papírem nebo vrstvou vzduchu několik cm silnou. Záření ( lze pohltit hliníkovým plechem. Největší schopnost proniknout látkou má záření (, a proto také ohrožuje biologické objekty. Na zeslabení a pohlcení záření ( se používají silné vrstvy materiálů obsahujících těžké prvky, např. olovo, nebo silná vrstva železobetonu. Při styku s radionuklidy je tedy jedním z nejdůkladnějších úkolů dokonalá ochrana před účinky jaderného záření.
Přirozená radioaktivita je spojena se změnami ve struktuře jader atomů, což vede k přeměně izotopu v izotop jiného prvku. Tyto jaderné přeměny nelze ovlivnit vnějšími podmínkami (např. teplotou látky) ani chemickými reakcemi s látkami obsahujícími radionuklid. To potvrzuje, že jaderné přeměny určují jen vlastnosti jader radionuklidů. Zahřátím, popř. chemickou reakcí totiž atom získá jen energii několik eV, kdežto k excitaci jádra je nutná energie řádově MeV.
Jaderné přeměny, při nichž jádro vyzařuje záření ( nebo záření (