Atomová a jaderná fyzika.key - Fyzika GJVJ

Mgr. Jan Ptáčník
Atomová a jaderná
fyzika
Fyzika - kvarta
Gymnázium J. V. Jirsíka
Atom - historie
❖
Starověk - Démokritos
❖
19. století - první důkazy
❖
Konec 19. stol. - objev elektronu
❖
Vznik modelů atomu
Thomsonův model
❖
Pudinkový model
❖
Kladná hmota
❖
Záporné elektrony
Rutherfordův model
❖
Planetární model
❖
Vyvrátil Thomsonův model
❖
Kladné malé jádro velké hmotnosti
❖
Elektrony obíhající kolem
Bohrův model
❖
Odstranil problémy Rutherfordova modelu (animace)
❖
Použití kvantové teorie (Max Planck)
❖
❖
Kvantování energie
❖
Foton
Přesně dané trajektorie elektronů
❖
Vrstvy - slupky
❖
Přeskoky - uvolnění energie
Kvantově mechanický model
❖
Současné pojetí
❖
Kvantová čísla
❖
Orbitaly
❖
Spin
Jádro atomu
❖
Velikost proti atomu zanedbatelná
❖
Složení: protony a neutrony
❖
❖
souhrnně: nukleony
❖
protonové číslo Z
❖
nukleonové číslo A
Neutrální atom - počet protonů a elektronů je stejný
Jádro atomu
❖
Nuklid = látka se stejným Z i A
❖
Izotop = stejné A, různé Z
Jádro atomu
❖
Srovnání částic
částice
elektrický náboj
hmotnost
hmotnost oproti
elektronu
proton
+e
1,007 277·u
1 835
neutron
0
1,008 665·u
1 838
elektron
-e
0,000 548·u
1
e - elementární náboj 0,000 000 000 000 000 000 160 2 C (1,602·10-19 C)
u - atomová hmotnostní jednotka
u = 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg (1,67·10-27 kg)
Jádro atomu
Kdyby bylo atomové jádro velké jako
pingpongový míček uprostřed
Václavského náměstí, jeho elektronový
obal by se koupal ve Vltavě.
Jaderné síly
❖
Drží protony a neutrony pohromadě
❖
Přitažlivé (na krátkou vzdálenost odpudivé)
❖
Krátký dosah
❖
Výběrové - jen na nukleony
❖
Největší přírodní jádro - Uran
❖
Hmotnostní schodek
E = mc
2
Radioaktivita
❖
samovolná přeměna nestabilních atomových jader
❖
uvolnění energie - ionizující záření
Záření alfa
Svazek rychle letících jader
4
helia 2He
(helionů)
Snadno stínitelné (list papíru)
Reaguje na elektrické i magnetické pole
Nebezpečí při vdechnutí
226
88
Ra →
222
86
Rn + α
4
2
Záření beta
Svazek rychle letících elektronů eStínitelné ( plech )
Reaguje na elektrické i magnetické pole
Nebezpečí při dlouhodobém vystavení
234
91
1
0
Pa →
234
92
U+ e
n → 11 p + −10 e
0
−1
Záření gama
Svazek rychle letících fotonů ( záření s λ < 300 pm )
Těžko stínitelné (silná vrstva olova)
Nereaguje na elektrické ani magnetické pole
Nebezpečné
Neutronové záření
Svazek rychle letících neutronů
Stínitelné lehkými prvky
Nereaguje na elektrické ani magnetické pole
uměle vyvolané
Radioaktivita
❖
Poločas rozpadu
❖
Dávkový ekvivalent
❖
jednotka Sievert (Sv)
❖
limit 1 mSv/rok
❖
smrt: 1 Sv
❖
Černobyl: 7 Sv
Srovnání rizik
•  Ozáření 1 mSv
•  Vykouření 30 cigaret
•  Ujetí 5000 km autem v běžném provozu
Riziko je stejné!!!
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita
Spad z testů
jaderných zbraní
medicína
0,30%
jiné (z toho
výpusti z jaderných
Instalací činí 0,04 %)
0,13%
11%
radon v domech
(průměr)
Kosmické záření
49%
14%
Záření z půdy
a hornin
17%
Přírodní radionuklidy
v lidském těle
9%
Přirozená radioaktivita
Přírodní zdroje:
1. Kosmické záření - ze Slunce a z hlubin vesmíru. Některé
složky vznikají v atmosféře Země srážkami s primárním
kosmickým zářením. Dávka od kosmického záření roste s
nadmořskou výškou.
2. Rozpadem radia v zemské kůře vzniká radioaktivní plyn
radon, který z podloží proniká do domů nebo do pitné vody.
Radon je zářičem alfa, záření tedy není nebezpečné pro povrch
našeho těla. Nebezpečné je vdechování tohoto plynu, neboť
dceřiné produkty vzniklé přeměnou radonu se mohou usadit v
plicích a způsobit tak ozáření nechráněné plicní tkáně.
3. Zemská kůra obsahuje přírodní radioaktivní prvky, nejčastěji
uran, thorium, radium.
4. Významným přírodním radioizotopem je izotop draslíku 40K.
Obsahují ho takřka všechny potraviny i naše vlastní tělo. Přírodní
radionuklidy obsahuje i vzduch a voda.
Umělé zdroje:
5.Televizní nebo počítačové obrazovky, svítící ciferníky hodinek
a přístrojů, průmyslové zářiče používané v defektoskopii, ke
sterilizaci nebo ve výzkumu.
6. Z umělých zdrojů záření představují největší podíl lékařské
aplikace - použití záření a radionuklidů při vyšetření nebo při
léčení např. rakoviny.
7. Jaderné elektrárny, výrobny paliva, přepracovací závody a
úložiště jaderného odpadu přispívají k celkovému průměrnému
ozáření asi setinou procenta.
Přirozená radioaktivita
Čechy
Irán (Ramsar)
Indie (Kerala)
Brazílie (Guarapari)
-
cca 3 mSv/rok
až 400 mSv/rok
až 17 mSv/rok
až 175 mSv/rok
Přirozená radioaktivita
Přírodní pozadí 175 mSv/rok – Guaraparí, Brazílie
Přirozená radioaktivita
Přírodní pozadí 400 mSv/rok – Ramsar, Irán
Pomeranč – 4 mikroSv/h
U obyvatele doma – 121 mikroSv/h
(v ČR je cca 0,2 mikroSv/h)
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita
Spaní vedle druhé osoby
0,05 mikro Sv
Bydlení jeden rok 75 km od jaderné elektrárny
0,09 mikro Sv
Snědení jednoho banánu
0,1 mikro Sv
Bydlení jeden rok 75 km od uhelné elektrárny
0,3 mikro Sv
Rentgen ruky
1 mikro Sv
Roční používání starého monitoru (CRT)
1 mikro Sv
Rentgen zubu
5 mikro Sv
Průměrná denní dávka z přírodního pozadí
10 mikro Sv
Rentgen hrudníku
20 mikro Sv
Let z NY do LA
40 mikro Sv
Bydlení jeden rok v domě z kamene nebo betonu
70 mikro Sv
Celková střední dávka od havárie Three Mile Island pro
obyvatele bydlícího15 km od elektrárny
80 mikro Sv
Roční dávka od draslíku (biogenní prvek obsahující izotop 40K)
obsaženého v lidském těle
Povolený roční limit pro ozáření jednotlivce z veřejnosti nad
dávku z přírodního pozadí
390 mikro Sv
1 000 mikro Sv = 1 mSv
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita
10 µSv/h
5 µSv/h
1 µSv/h
0,1 µSv/h
0,03 µSv/h
Ochrana před radioaktivitou
Zkoušky jaderných zbraní
Uložení radioaktivních odpadů
Jaderné havárie:
Černobyl ( 1986 / INES 7 )
Fukušima ( 2011 / INES 7 )
Three Mile Island ( 1979 / INES 6 )
Ochrana před radioaktivitou
Detekce - dozimetry
Dostatečná vzdálenost
Čas
Stínění
Využití radioaktivity
❖
Radiouhlíková metoda v archeologii
❖
Defektoskopie v průmyslu
❖
Sterilizace a konzervace v potravinářství
❖
Požární hlásiče
❖
Diagnostika v medicíně
❖
Ozařování v medicíně
Jaderné reakce
❖
Uměle vyvolaná změna jádra atomu
❖
Transmutace - přeměna na "blízký" prvek
Jaderné reakce
❖
Vyvolání: helion, elektron, foton, neutron, proton
❖
Dva typy:
❖
Jaderné štěpení
❖
Jaderná fúze
Jaderné štěpení
❖
Rozbití velkého jádra prvku na dvě menší jádra
(odštěpky) jiných prvků
❖
Uvolnění energie
Řetězová reakce
❖
Jen konkrétní izotopy
❖
Štěpení pomalým uranem
Řetězová reakce
❖
Neregulovaná - atomové bomby
❖
Obohacení kolem 80%
❖
Je třeba nadkritické množství
❖
1. použití: projekt Manhattan 1945
Řetězová reakce
❖
Regulovaná - reaktory
❖
Regulace - bor a oxid boritý
❖
Zpomalování moderátorem
❖
Obohacení kolem 5%
❖
První reaktor 1942 Chicago
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna
❖
ČR: Temelín (2.110 MW) a Dukovany (2.040 MW)
❖
Virtuální prohlídka JETE zde
❖
Podíl: 20,4%
❖
Problém - použité palivo
Jaderný reaktor
❖
Budova reaktoru - kontejnment (1,2 m)
❖
Reaktor 11 m vysoký a 4,5 m průměr
❖
Tlak 15,7 MPa, teplota 320°C
❖
Aktivní zóna: 3 m vysoká a 3 m průměr
Jaderný reaktor
❖
Palivo: uran 235
❖
163 palivových souborů a 61 klastrů
❖
každý palivový soubor 312 proutků
❖
Celková vsázka 92 tun
Jaderný reaktor
Termojaderná fúze
❖
Slučování lehkých prvků
❖
Uvolnění velkého množství energie
❖
Slunce
❖
Problémy: dostat jádra k sobě
❖
Vysoká teplota
Termojaderná fúze
❖
Termonukleární bomba
❖
Tokamak