Magfizika
Download
1 / 47

Magfizika - PowerPoint PPT Presentation


  • 152 Views
  • Uploaded on

Magfizika. Radioaktivitás felfedezése. Az atommag. Radioaktív bomlások. Aktivitás felezési idő. Gyakorlati alkalmazások. Radioaktiv sugárzás. 1896-ban Becquerel, francia fizikus uránsókkal végzett más

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Magfizika' - dinh


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Magfizika

Radioaktivitás felfedezése

Az atommag

Radioaktív bomlások

Aktivitás felezési idő

Gyakorlati alkalmazások


Radioaktiv sugárzás

1896-ban Becquerel, francia fizikus uránsókkal végzett más

jellegű kísérletei során figyelt fel arra, hogy az uránsó kristályának közelében hagyott fényképlemezen előhívás után a kristály nyoma láthatóvá vált.

A Marie Curie (1867–1934), Pierre Curie (1859–1906) francia fizikus házaspárnak 1898-ban sikerült további radioaktív elemeket kémiailag elválasztani más elemektől. Ennek során fedezték fel a rádiumot és a polóniumot.

Becquerel


Az atommag

Már a Rutherford-féle szórási kísérletből is kiderült, hogy az atom nem tömör felépítésű. Feltételezték, hogy az atom igen kisméretű, pozitív töltésű magból és az elektronok alkotta burokból áll. Az atom mérete 10-10 méter nagyságrendű, a mag mérete csak 10-15 méter nagyságrendű.

Ha az atommag egy stadion közepére helyezett meggy lenne, akkor a magot körülvevő elektronok pályái a stadion lelátójára esnének.


A proton

Már Rutherford feltételezte hogy léteznie kell egy olyan részecskének, amelynek az elektron töltésével megegyező nagyságú pozitív töltése van. A feltételezett részecske gondolata annyira természetes volt, s egyéb paramétereit is olyan pontosan meg lehetett határozni, hogy létezésében senki sem kételkedett. A kísérleti kimutatás P. Brackett nevéhez főződik, aki atommagok ütközéseit vizsgálta:

A hidrogénatom magja a proton. Töltése: qp=1,6∙10-19 C

Tömege: mp=1,6726∙10-27 kg


A neutron

1930-ban különös jelenségeket észleltek a kísérletezők, amikor berilliumot héliummagokkal bombáztak.

A bombázás hatására olyan áthatoló sugarat kaptak, amely vastag ólomlemezen is áthatol, és töltéssel nem rendelkezik.

A jelenséget Chadwick értelmezte 1932-ben, neutronok kilépésével, a következő reakció szerint:

A neutron semleges, tömege közel azonos a proton tömegével:

mn=1,6749∙10-27 kg

Chadwick


Az atommag jellemzői

A rendszám az atommagban lévő protonok számával egyezik meg. Jele: Z. Az atommagban lévő protonok száma határozza meg az atommag kémiai minőségét.

A tömegszám az atommagban lévő protonok és neutronok együttes száma.

A protonokat és a neutronokat másképpen nukleonoknak is nevezzük.

Tehát a tömegszám az atommagban lévő nukleonok számával egyezik meg.

Jele: A


Izotópok

Izotópoknak nevezzük az olyan atomokat, amelyek magjában a protonok száma megegyezik, de a neutronok száma különböző.

Az izotópok kémiai szempontból azonosak, de tömegük különbözősége miatt fizikai tulajdonságaik eltérőek.

Izotópok szétválasztása tömegspektroszkóppal történik. Az atomoknak töltést adnak, és homogén mágneses mezőbe juttatják őket. A különböző tömegű részecskék eltérő sugarú körpályára állnak.


Magerő

Az atommagban lévő protonok pozitív töltésüknél fogva taszítják egymást: Coulomb-erő

Ezért a nukleonok között egy nagyon jelentős vonzó erőnek kell lennie, ez a nukleáris kölcsönhatás, röviden: magerő.

Jellemzői:

  • erősen vonzó

  • rövid hatótávolságú

  • töltésfüggetlen

Az atommagot összetartó erőhatás természetének teljes megértése az elméleti

fizikusok számára a mai napig sem lezárt problémakör.


Kötési energia

Az atommag kötési energiáján azt az energiát értjük, melynek befektetésével az atommag egymástól távol lévő, szabad nukleonokra bontható fel. Jele: Ek

Az energiamegmaradás elve szerint a szabad nukleonok atommaggá való

egyesítésekor a kötési energiának megfelelő nagyságú nukleáris energia

szabadul fel.


Tömegdefektus

Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotórészek tömegeinek összege. Ez a jelenség a tömegdefektus.

A magyarázat Einstein relativitáselméletben megfogalmazott tömeg-energia ekvivalencia segítségével adható meg. A tömeghiánynak megfelelő energia a kötési energia. A kötési energia meghatározása egyben a speciális relativitáselmélet kísérleti bizonyítéka.


Feladat

135/1 Határozzuk meg a hélium atommagjának a kötési energiáját a tömegdefektus alapján, ha ismerjük a héliumatommag pontos tömegét mHe = 4,003 u. (A proton tömege mp = 1,0073 u, a neutron tömege pedig mn = 1,0087 u. Az atomi tömegegység u = 1,6605 · 10–27 kg.)

Adatok:

Képlet:

Számolás:

Válasz:

A hélium kötési energiája: 4,33 pJ


Fajlagos kötési energia

Ábrázoljuk az egy nukleonra jutó átlagos kötési energiát a tömegszám függvényében:

A grafikon menetéből arra lehet következtetni, hogyaz atommagokból energiát nyerhetünk ki a könnyű atommagok egyesítésével (fúziójával), vagy a nehézatommagok hasításával (fissziójával).


Cseppmodell

A nukleonokat összetartó magerő hasonló a folyadékokat összetartó kohéziós erőkhöz: rövid hatótávolságú, csak szomszédok között érvényesül. A atommag a folyadékhoz hasonlóan a legkisebb felületre törekszik. Az atommag energiája akkor a legalacsonyabb, ha a nukleonok nagyobb része belső, kisebb része külső nukleon.

A kisebb atommagok a kevés belső nukleon miatt kevésbé stabilak. A kötési energia az A=56 tömegszámnál a legerősebb. A legnagyobb atommagok azért nem stabilak, mert az egymástól távollévő protonok között már nem érvényesül a magerő, viszont erős a protonok közötti taszító erő.


Radioaktivitás

A radioaktív sugárzás elektromos és mágneses téren átvezetve három sugárnyalábra bomlik.

Az eltérülés mértékéből a sugárzásban részt vevő részecskék töltése és tömege határozható meg.

A radioaktív sugárzás részei:

 – sugárzás: kétszeresen ionizált He atommagokból áll.

 – sugárzás: nagy energiájú elektronokból áll.

 – sugárzás: nagy energiájú elektromágneses sugárzás.


Alfa-bomlás

Ha egy atommag –sugárzást bocsát ki, akkor rendszáma kettővel, tömegszáma néggyel csökken.


Béta-bomlás

Ha egy atommag  – sugárzást bocsát ki, akkor rendszáma eggyel nő, tömegszáma változatlan marad. Ilyenkor egy neutronból egy proton és egy elektron keletkezik.


 foton

Gamma-sugárzás

A -sugárzásnál valójában nincs szó magátalakulásról, mivel sem az A tömegszám, sem a Z rendszám nem változik. A gerjesztett atommag egy gamma-fotont bocsát ki.

A természetes radioaktív sugárzásoknál a -sugárzás mindig csak az - vagy a -sugárzás kísérőjeként jelentkezik.


Aktivitás

Egy adott mennyiségű radioaktív anyag aktivitásán az időegység alatt elbomló atommagok számát értjük. Jele: A, Mértékegysége: 1/s=Bq (becquerel)

Egy adott radioaktív anyag aktivitása arányos a még el nem bomlott magok számával. Az arányossági tényező a bomlásállandó () az anyag minőségre jellemző állandó.


Felezési idő

Azt az időt, amely alatt egy radioaktív anyagban a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére csökken, felezési időnek nevezzük. Jele: T, mértékegysége: s

A radioaktív izotópok felezési ideje állandó. Értéke nem függ sem a hőmérséklettől, sem más makroszkópikus anyagi jellemzőtől, csak az izotóp atommagjának belső szerkezetétől.


Egy radioaktív izotópban a t időpillanatban meglévő, el nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Bomlási törvény

N0: az atommagok kezdeti száma

T: a felezési idő

t: az eltelt idő

N(t): az atommagok pillanatnyi száma


Feladat nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

143/2 A csernobili reaktorbaleset során radioaktív 131I-izotóp került Magyarország légterébe. A jód izotóp felezési ideje 8 nap.

Mennyi idő múlva csökkent a jód aktivitása a kezdeti érték 1%-ára?

Képlet:

Adatok:

Számolás:

Válasz:

A jód izotóp aktivitása 53 nap alatt csökkent 1%-ra.


Bomlási sorok nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A radioaktív bomlás során egy kémiai elemből egy új elem jön létre. Ha ez radioaktív, újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás). Ezért négy bomlási sor létezik attól függően, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3.


A sugárzás hatásai nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Ionizáló hatás: A radioaktív sugárzás biológiai hatása azon alapszik, hogy a sugárzás részecskéi (-, -részecskék és -fotonok) az élő anyag sejtjeiben

  • ionokat,

  • szabad gyököket hoznak létre,

  • az élettanilag fontos molekulák szerkezetét megváltoztatják.

Mesterséges elemátalakítás nyomképe ködkamrában


Elnyelt dózis nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:jele: De; mértékegysége: Gy (grey)

Az élő szervezet által elnyelt sugárzási energiát osztjuk az anyag tömegével:

Dózisegyenérték jele: H; mértékegysége: Sv (sievert)

A sugárzás biológiai hatása függ a sugárzás minőségétől.

Élettani hatás

A sugárzás élettani hatása függ:

  • az egységnyi tömeg által elnyelt sugárzás energiájától

  • a sugárzás fajtájától.


Sugárterhelés nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A testünkön kívüli sugárzásból származó sugárdózist külső sugárterhelésnek, a testünkbe átmenetileg bekerülő, vagy a szervezetünkbe tartósan beépülő izotópokból származó sugárdózist pedig belső sugárterhelésnek nevezzük.

A szükségszerűen bekövetkező élettani hatások és a szervezetet ért sugárzás hatásos dózisa közötti összefüggés


Gondolkodtató kérdések nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés: Hogyan lehetne megkülönböztetni a semleges neutronsugárzást a semleges -sugárzástól?

Válasz: Részecskékkel való ütköztetéssel, mivel ugyanakkora energiájú neutronok és fotonok közül az előbbiek lendülete nagyobb, így azok jobban meglökik pl. az útjukba eső, állónak képzelhető protonokat.

Kérdés: Melyik lehet az élő szervezetekre veszélyesebb: a rövid vagy a hosszú felezési idejű izotóp?

Válasz: Mindkettő veszélyes lehet: a rövid felezési idejű azért, mert nagyobb az aktivítása, a hosszabb felezési idővel rendelkező pedig azért, mert hosszabb ideig sugároz.


Maghasadás nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Előfordulhat, hogy a nagy tömegszámú atommag két kisebb, atommagra bomlik szét. Ez az esemény a maghasadás (fisszió), amely általában a már ismert radioaktív sugárzásokkal jár együtt. A külső gerjesztés általában megnöveli a bekövetkezés valószínűségét. Ilyen külső gerjesztés lehet például egy lassú neutron befogása.

A maghasadás során energia szabadul fel. Egyetlen uránatommag hasadásakor felszabaduló energia kb. 30 pJ.


Láncreakció nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Gyakorlati célokra is használható mennyiségű atomenergiát csak akkor nyerhetünk, ha a maghasadás folyamatát önfenntartóvá tesszük. Szilárd Leótól származik az ötlet, hogy hasznosítani lehet a maghasadáskor felszabaduló neutronokat, amelyek újabb maghasadásokat idézhetnek elő.Erre leginkább az urán 235-ös tömegszámú izotópja alkalmas.

Arról is gondoskodni kell, hogy a neutronok ne szökjenek el, mielőtt újabb magokat hasítanának. A szükséges urán mennyiségét kritikus tömegnek nevezzük.


Gyakorlati alkalmazások nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A radioaktív izotópok által kibocsátott sugárzás a gyakorlatban széles körben felhasználható.

A békés célú alkalmazási területek közül elsősorban az orvostudomány és az energiatermelés említhetők meg, de számos más területen is jól hasznosítható. Néhány példa ezek közül:

  • Energiatermelés

  • Gyógyászat

  • Kormeghatározás

  • Szenzorok


Atomreaktor nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A láncreakció a reaktorokban ellenőrzött formában zajlik. A felszabaduló energiát elektromos áram előállítására használják.

A természetes uránban a 235-ös izotóp aránya csak 0,7%. Ezt kb. 3%-ra kell dúsítani. A hasadásakor keletkező gyors neutronokat lassítani kell, hogy újabb atommagokat hasítsanak. A lassításhoz vizet vagy grafitot alkalmaznak. A folyamatban résztvevő neutronok számát is szabályozni kell. Erre legalkalmasabb a bór és a kadmium, ami elnyeli a neutronokat. A reaktor hűtéséhez vizet használnak, ami a moderátor szerepét is betölti.


Atombomba nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Működésekor a közönséges robbanóanyag indítótöltet egyesíti a két részből álló kritikus tömegű (urán vagy plutónium) hasadóanyagot és beindul a láncreakció.A keletkező nagy mennyiségű neutront a neutronvisszaverő réteg tartja vissza a láncreakció biztosítása érdekében.

Atombomba háromféle hasadóanyagból állítható elő:

  • Urán 235 izotóp (a természetes urán 0,7%-a, bonyolult dúsítási eljárással vonható ki)

  • Plutónium 239 (urán üzemanyagú atomreaktorokban az urán 238-ból keletkezik)

  • Urán 233 izotópból (tórium üzemanyagú atomreaktorban keletkezik, de ilyen reaktorok jelenleg nem működnek)


Feladat nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Becsüljük meg, hogy 50 kg össztömegű urántöltetet tartalmazó atombomba felrobbanásakor mennyi energia szabadul fel! Egy uránatommag hasadásakor felszabadult energiát vegyük átlagosan 32 pJ-nak.

Adatok:

Képlet:

Számolás:

Válasz:

A atombomba robbanásakor 4,08∙1015 J energia szabadul fel.


Könnyű magok fúziója nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kis tömegszámú könnyű atommagok fúziójánál magenergia szabadul fel.

Az atommagok egyesülését a nagy hatótávolságú, taszító Coulomb-erő gátolja. Ezért a fúziós folyamatok beindulásához igen magas (minimum 15 millió K) hőmérséklet szükséges.


Magfúzió a Napban nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A csillagok belsejében a fúzióhoz szükséges magas hőmérsékletet kezdetben a gravitációs energia, később a beindult fúziós folyamat biztosítja.

A Nap és a hozzá hasonló típusú csillagok belsejében hidrogénatommagok egyesülnek több lépcsőben stabil héliumatommaggá, miközben 4,48 pJ nagyságú kötési energiája szabadul fel.


Feladat nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Becsüljük meg, hogy a Nap belsejében mekkora tömegű hélium keletkezik percenként a hidrogén fúziója révén! (A Nap sugárzási teljesítménye 3,86 · 1026 W, a héliummagok kötési energiája 4,48 pJ.)

Adatok:

Képlet:

Számolás:

Válasz:

A Nap belsejében 3,45∙1013 kg hélium keletkezik percenként.


Fúziós erőmű nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A fúziós reaktorok energiatermelését ipari méretekben még nem sikerült megoldani. Ennek elsősorban technikai akadályai vannak.

A fő problémát a folyamathoz szükséges magas hőmérséklet és nagy nyomás jelenti. A könnyű magokat tartalmazó, plazmaállapotú anyagot mágneses mezővel lehet összetartani. Az erős mágneses mezőt toroid-tekerccsel állítják elő.


Hidrogénbomba nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Szabályozatlan formában történő termonukleáris reakciót már sikerült megvalósítani az ún. hidrogénbomba formájában. Itt a reakcióhoz szükséges magas hőmérsékletet és nagy nyomást a hasadóanyagot tartalmazó atombomba felrobbanása szolgáltatja.

Teller Ede (1908-2003) magyar származású fizikus a hidrogénbomba-kutatásokban való aktív részvétele miatt, mint „a hidrogénbomba atyja” vált közismertté.


Gondolkodtató kérdések nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés: Miért lassítják jobban a neutronokat a kis tömegszámú elemek, mint a nagy tömegszámúak?

Válasz: A kis tömegszámú atommagok közel azonos tömegűek a neutronokkal, ezért a neutronok a velük való ütközésnél jelentősen lelassulnak. A nagyobb tömegű atommagokkal ütköző neutronok viszont kis energiaveszteséggel pattannak le a magokról.

Kérdés: Vajon miért nem robbannak fel hidrogénbombaként a csillagok?

Válasz: A csillagok „szabályozott fúziós reaktorok”. Ha a fúzió fokozódik, a hőmérséklet nő, a gáz kitágul. Ezért a magok ritkábban ütköznek. Ezért a fúzió lelassul, az anyag lehűl, a hőmérséklet csökken. Érvényesül a gravitáció hatása, a gáz összehúzódik, és a fúzió erősödik.


Energiatermelés nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Az atomenergia biztosítja a világ energiájának 6%-át és az elektromos energia 13-14%-át. Magyarországon a Paksi Atomerőmű termeli az elektromos energia felét. A világ 31 országban 439 atomenergia-reaktor működik (2007).Az atomenergia felhasználás előnye, hogy megfelelő üzembiztonság esetén káros kibocsátásoktól mentes, így az energiatermelés mellet a globális szennyeződések elmaradnak. Egy esetleges baleset kapcsán viszont komoly szennyező hatás következhet be. Az üzemeltetés kapcsán keletkező különböző radioaktív hulladékok elhelyezése és hosszú távú tárolása a termelés költségeit növeli.

27


Gyógyászati alkalmazások nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A radioaktív izotópokat a gyógyászatban használják:

  • nyomjelzésre,

  • terápiás kezelésre.

    Nyomjelzés: a beteg szervezetébe kis mennyiségben sugárzó radioaktív izotópot juttatnak, és érzékeny műszerrel kísérik nyomon annak útját a szervezetben. Így történik a pajzsmirigy vizsgálata.

    Terápiás kezelés: A burjánzó sejtek a radioaktív sugárzással szemben érzékenyek. Ezért az előre meghatározott területre, meghatározott dózisssal történik a besugárzás. A radioaktív nyomjelzés ötlete és kidolgozása Hevesy György magyar származású kémikus nevéhez fűződik, aki ezért 1943-ban Nobel-díjat kapott.

28


Radiokarbon kormeghatározás nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Az élőlények maradványainak korát a radioaktív 14C izotóp koncentrációjából lehet határozni.A magas légkörben folyamatosan keletkezik 14C, és a dinamikus egyensúly miatt a 14C/12C izotópok aránya állandó. A szén beépül az élő szervezetbe. Miután az élőlény meghal, így az anyagcsere megszűnik, tehát a 14C izotópok aránya csökkenni kezd. Az izotóp felezési ideje: 5730 év. A maradványból kinyert szénizotópok arányából a maradvány életkorára lehet következtetni.

29


Szenzorok nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

A radioaktivitást különböző érzékelő berendezésekben is alkalmazzák.Az ionizációs füstérzékelő kamrájában kis aktivitású radioaktív izotóp ionizálja a levegőt. Amikor a kamrába füstrészecskék jutnak, csökken az ionizáció, ezáltal lecsökken az ármaerősség, ezt észlelve keletkezik a riasztás.


Ismétlő kérdések nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés:Mit értünk tömegdefektuson?

Válasz: Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotórészek tömegeinek összege. A tömeghiánynak megfelelő energia a kötési energia.


Ismétlő kérdések nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés:Mit értünk aktivitáson?

Válasz: Egy adott mennyiségű radioaktív anyag aktivitásán az időegység alatt elbomló atommagok számát értjük. Jele: A, mértékegysége: 1/s=Bq (becquerel)


Ismétlő kérdések nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés:Mi a felezési idő?

Válasz: Azt az időt, amely alatt egy radioaktív anyagban a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére csökken, felezési időnek nevezzük. Jele: T, mértékegysége: s


Ismétlő kérdésekK nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:

Kérdés:Írd la a bomlási törvényt!

Válasz: Egy radioaktív izotópban a t időpillanatban meglévő, el nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:


RADON Petya nem bomlott atommagok számát a bomlási törvény segítségével számolhatjuk ki:


ad