Ciekawe linki

Jeśli się podoba

Słońce jest największym „kosmicznym” naturalnym reaktorem atomowym w najbliższym sąsiedztwie ziemi. Utrzymuje się w stabilności przez miliardy lat, nieznacznie zmieniając się w czasie. Występują oczywiście pewne anomalnie: burze słoneczne, magnetyczne, wyrzuty koronalne itp. Przez to wszystko Słońce od zawsze kształtuje swoje otoczenie, Ziemię z innymi planetami Swojego Układu.

Słońce - potężny reaktor atomowy
[źródło: http://www.2012gniewojca.pl]

Żyjąc na ziemi i widząc przeciętnego rozmiaru kółko na niebie, niewiele większe raptem od Księżyca Słońce wydaje się wyobrażalnych rozmiarów. Część z nas potrafi sobie uświadomić potężną różnicę odległości, jaka dzieli nas od Słońca, które jest położone "troszkę dalej"...
Odległość Ziemi od Słońca (w przybliżeniu) to 150 000 000 km
Odległość Ziemi od Księżyca (w przybliżeniu) to 385 000 km,
Proste porównanie mówi, że Słońce jest (około) 390 razy dalej. Jest dużo wiele niesamowicie potężniejszych reaktorów atomowych - nasze Słońce wygląda przy nich trochę bladziutko - nawet ze swoją jasnością.

Słońce świeci jasno tak, że nie da się na nie patrzeć... dla nas jest idealnie białe i jaskrawe. W rzeczywistości jest żółte. Są większe gwiazdy czerwone i niebieskie - olbrzymy i nadolbrzymy, przy których Słońce wygląda jak ziarnko piasku przy głazie. Tyle, ile na Ziemi zgromadzone jest broni atomowej, wystarczyłoby do kilkukrotnego unicestwienia naszej cywilizacji - ci, którzy by przeżyli zazdrościliby umarłym. Ale w skali Wszechświata byśmy byli niezauważalnym pierdnięciem - tutaj apel do wszystkich dyktatorów-samobójców!

Porównanie planet Układu Słonecznego
Porównanie planet i Słońca
Porównanie gwiazd
[źródło: htt://www.rafiner.pl]

Energia jądrowa może i powinna być wykorzystywana jako źródło naprawdę czystej w porównaniu ze wszystkimi konwencjonalnymi źródłami energii, tylko trzeba ją racjonalnie wykorzystywać. Niektóre przypadki skażenia są nieuniknione - ale ich skutki można przy dzisiejszym zastosowaniu najnowocześniejszych technologii zminimalizować do przypadków niemożliwych do uniknięcia. Poniższy artykuł świetnie ukazuje - w jakiej odległości od reaktora może być absolutnie bezpiecznie - gdzie promieniowanie jest, jeśli nie takie, jakie odbieramy przebywając w mieszkaniu, to niewiele większe.

[http://technologie.gazeta.pl/internet/1,104665,9251307,Stopienie_rdzenia_to_nie_koniec_swiata.html]

Nie ma obecnie tańszej energii wytwarzanej na masową skalę od jądrowej. Są oczywiście zapory wodne, których wszędzie postawić się nie da. Elektrownia wiatrowa daje niewielkie moce i też jest uzależniona od otaczającej zmienności przyrody. Węgle i paliwa kopalne są trochę droższe i strasznie działają na środowisko. Co zrobić ze zużytym paliwem - zatem? Jeśli paliwo jest naprawdę zużyte - to będzie miało stosunkowo niewielką promieniotwórczość i można je śmiało zakopywać na głębokościach nawet kilkuset metrów. Jeśli jest jeszcze silnie promieniotwórcze - to na drodze niezbędnego recyklingu otrzymamy dodatkowe, aczkolwiek dużo mniejsze, źródło energii wytwarzanej w kolejnych przemianach jądrowych.

To, jak ciekawe reakcje zachodzą w gwiazdach i naszych sztucznych reaktorach atomowych, można tylko sobie wyobrażać. Pierwiastki zmieniają się w inne pierwiastki - to coś w tym stylu, jakby z żelaza zrobić złoto (średniowieczni alchemicy by mieli frajdę)! Całkiem abstrakcyjnie: dwa atomy tlenu można byłoby przekształcić w jeden atom siarki przy zastosowaniu specyficznych właściwości - którymi to przeważnie są temperatura i ciśnienie.


Komin elektrowni atomowej

Tutaj mała wzmianka dla nie-chemików: atomy składają się z neutronów i protonów - liczba tych ostatnich decyduje "co to za pierwiastek". Liczba neutronów mówi "co to jest za izotop" tego pierwiastka. Tlen ma 8 protonów i 8 neutronów. Siarka ma 16 protonów i 16 neutronów. Każdy atom ma ileś protonów i ileś neutronów - ich liczba przeważnie jest różna. Jednak każdy atom ma oba te nukleony powiązane z różną energią - energią wiązania jądra. Tak więc przemieniając jedno jądro w inne zawsze: dostaniemy energię, lub jej będziemy musieli dostarczyć. I chociaż liczone w maleńkich eV (elektrono-voltach) są to energie potężne...

Podsumowując: Energia jądrowa może zabijać, ale jednocześnie be niej (w skali Wszechświata) nie byłoby zupełnie NIC! Wszystko dzięki niej powstało. Zagadnienia jądrowe - czy je nazwać chemią czy fizyką, są niesamowicie ciekawym działem nauki.

Trudno dzisiaj powiedzieć, co naprawdę było na początku. Istnieją różne teorie, z których króluje oczywiście Wielki Wybuch z opisem tego, co się działo w poszczególnych etapach począwszy od pewnego momentu, który jednak nie jest T=0, ale ułamek sekundy później. Jak to się ma w ogóle do chemii? Do świata współczesnego? Bo idąc tropem Wielkiego Wybuchu - poznając co z czego powstało możemy lepiej określić dokąd wszystko zmierza.

Przyjmijmy zatem, że teoria Wielkiego Wybuchu jest słuszna - jest bardzo logiczna, przyczynowo-skutkowa i chociaż wiele rzeczy jest mimo wszystko nie wyjaśnionych, mnóstwo rzeczy wyjaśnionych jest świetnie, chociaż dla zwykłych ludzi ciężkie do ogarnięcia. Mogło to wyglądać jak jedna wielka mieszanina masy i energii, albo coś co one razem tworzyły a dla nas jest po prostu niewyobrażalne. Niemalże "boskie". I tu też niektórzy religioznawcy i duchowni będą dopatrywali się różnych wyjaśnień - teorii może być mnóstwo i wydaje mi się, że żadna z nich do końca nie będzie prawdziwa...
Czy Bóg jest większy od Wszechświata?
Czy Bóg jest Wszechświatem?
Czy Bóg stworzył wiele Wszechświatów?
Czy Bóg podczas tworzenia Wszechświata stał się jego nieodłączną częścią i przez to Wszechświat jest Bogiem - czy to pod postacią materii czy energii?
Czy jeszcze inaczej?

Zagadnienia Wielkiego Wybuchu obejmują raczej zdarzenia fizyki niż chemii. Wtedy nie było jeszcze chemii! Możemy o niej mówić dopiero po wytworzeniu kilku różnych pierwiastków, kiedy zaczynały ze sobą oddziaływać. Ewentualnie można by się posunąć do przemiany pierwiastków w inne na drodze reakcji jądrowych - poczynając od najprostszej przemiany wodoru w hel. Zjawisko to najpopularniejsze jest w gwiazdach - na ziemi udało się zdetonować kilka bomb wodorowych, ale nie udało się ujarzmić tego w tak prosty sposób, jak to wyszło z uranem i podobnymi mu pierwiastkami.

Dlaczego najlżejszy pierwiastek tak samo jak najcięższe dają mnóstwo energii podczas ich zamiany w pośrednie? Najłatwiej to zaobserwować na wykresie energii wiązania jądra. Żelazo jest najstabilniejsze - ma najwyższą energię wiązania na nukleon. Dlatego też wszystkie pierwiastki czysto teoretycznie z biegiem czasu powinny powiększać grono tych centralnych. Lżejsze jądra atomowe, jak wodór będący przy okazji świetnym paliwem jądrowym, łączą się ze sobą lub z innymi tworząc jądra zbliżając się na tej osi do żelaza. Cięższe - uran i jego koledzy - będą się rozpadać na mniejsze także tworząc pierwiastki bardziej "centralne". Skoro zatem na początku (po Wielkim Wybuchu - już w dziejach chemii) był tylko wodór, z którego zaczął się tworzyć hel i inne cięższe pierwiastki, dlaczego przekroczyły barierę najstabilniejszego żelaza i utworzyły pierwiastki dużo cięższe? Gwiazdy "palą" z reguły wszystko w kierunku żelaza, ale podczas niektórych procesów, jak wybuchy, szczególnie supernowych, w grę wchodzą dużo większe energie pozwalające na jej kumulację w jądrach bardzo ciężkich substancji, które z kolei mogą się rozpadać.

Obecnie mamy całe mnóstwo pierwiastków. Mamy coś (we Wszechświecie), co w niedługim (powiedzmy kilkudziesięciu milionów lat) okresie czasu można uznać za stabilne. Wszystko oczywiście się zmienia i jeśli będziemy brali pod uwagę niewielkie wycinki nas otaczającego świata to dostrzeżemy gwałtowną zmienność. Przez dwa lata na polu może powstać wieżowiec. Wystarczy także kilka lat, żeby powstało miasto (przykład Gdyni), żeby wybudować ogromną infrastrukturę potrzeba trochę więcej czasu. Jedno pokolenie w takiej skali mikro może doszukać się przełomowych zmian. Ale co to jest w przeciągu nawet historii cywilizowanego człowieka - kilku tysięcy lat? Naturalne zmiany krajobrazu zachodzą rzadziej - np. narastanie delty rzeki czy cofanie się klifowych wybrzeży pod wpływem morza, wędrówki lodowców (które w tym porównaniu będą dość szybkie, chociaż nie zauważalna wręcz na przestrzeni dnia). Nastawanie po sobie epok lodowcowych z przerwami na interglacjały - powstały dzięki temu chociażby jeziora polodowcowe - dziesiątki tysięcy lat. Gdyby przyjrzeć się Ziemi nawet na przestrzeni 300 milionów lat też dostrzeżemy, że ona wręcz żyje: powstają nowe góry, łączą się i rozdzielają różne części lądu, rzeki zmieniają bieg i powstają różne naturalne twory geologiczne, na Ziemie spadają ciała niebieskie... Z tym, ze 300 mln lat w porównaniu w historią Ziemi datowaną na 4,5 mld lat to raptem 1/15. Niektóre pierwiastki promieniotwórcze naturalnie występujące na Ziemi istnieją od samego jej początku - jeszcze się nie rozpadły! To znaczy, że przetrwały wszystkie te drobniejsze, wyżej wymienione, zdarzenia i wiele dużo poważniejszych. Atomy mimo że są nie widoczne nawet dla mikroskopów - są w pewnym sensie niezniszczalne! Jedynie przemiany jądrowe mogą je przekształcać!

Energia wewnętrzna jądra atomu jest sumą energii wiązań poszczególnych nukleonów w jądrze. Można ją obliczyć na podstawie defektu masy, czyli różnicy sumy mas nukleonów (protonów i neutronów) i masy odpowiedniego nuklidu.

E = [Z * mp + (A - Z) * mn - M] * c2 = δmc2

Z - liczba atomowa
A - liczba masowa
mp - masa protonu (1,673 * 10-27 kg)
mn - masa neutronu (1,675 * 10-27 kg)
c - prędkość światła (299792,458 km/s)

Jest to ogólna energia wewnętrzna jądra. Natomiast dla porównania trwałości różnych jąder podaje się średnią energię wiązania przypadającą na jeden nukleon wyrażoną stosunkiem E/A. Poniższy rysunek przedstawia krzywą ukazującą rozkład średniej energii wiązania w odniesieniu do liczby masowej.

Energia wiązania

Istnieje kilka reguł:
- wszystkie jądra cięższe od bizmutu są nietrwałe
- naturalne lub sztuczne pierwiastki znajdują się poniżej krzywej; odległość o niej świadczy o stopniu nietrwałości
- analiza kolejnych maksimów dla 4He, 8Be, 12C, 16O, 20Ne ukazuje, jakby te jądra były wielokrotnością jądra 4He.
- wśród wszystkich znanych trwałych jąder 152 ma parzystą liczbę protonów i neutronów, 52 parzystą liczbę protonów i nieparzystą liczbę neutronów, 55 nieparzystą liczbę protonów i parzystą liczbę neutronów a jedynie cztery mają te liczby nieparzyste (2H, 6Li, 10B, 14N).

Aby jądro atomowe było trwałe, siły spajające nukleony działające pomiędzy nimi muszą być większe od sił elektrostatycznego odpychania pochodzącymi od jednoimiennie naładowanych protonów. Aby jądra pierwiastków były stabilne pierwiastki o wzrastających liczbach atomowych muszą zawierać coraz więcej neutronów w stosunku do protonów. Uważa się, że najcięższym stabilnym jądrem jest jądro bizmutu i wszystkie pierwiastki od niego cięższe są niestabilne. Przy rozmiarach jądra większych od bizmutu coraz trudniej jest utrzymać wszystko w równowadze. Za najbardziej stabilne uważa się z kolei jądro żelaza 56Fe. Najogólniej tłumacząc tę właściwość można udowodnić tym, że przemiany termojądrowe zachodzące w gwiazdach przebiegają w kierunku żelaza i na nim się kończą. Teoretycznie zatem całkowicie wypalona gwiazda będzie zbudowana z żelaza (i niektórych pierwiastków leżących w układzie okresowym w jego pobliżu). Także rozpady promieniotwórcze ciężkich jąder prowadzą w tym samym kierunku.

Ok. Ale jeśli to są reguły działające we Wszechświecie, jeśli powstawał on i dalej ewoluuje właśnie na tych zasadach, to skąd mamy taką różnorodność, takie bogactwo pierwiastków? Skoro wszystko zaczęło się od protonów (czyli jąder wodoru) spalanego w gwiazdach do poprzez cięższe pierwiastki do żelaza, można tym wytłumaczyć występowanie różnych pierwiastków pośrednich. Dobrze - spalanie wodoru dostarczało energii, podobnie jak spalanie helu i innych pierwiastków aż do punktu żelaza. Ale skąd wzięły się cięższe, które wymagały włożenia energii w ich tworzenie? Energia ta dostarczana była w ostatnich stadiach życia gwiazd - w momentach wybuchu nowych i supernowych, podczas których wydzielały się olbrzymie ilości energii. Wyobraźmy sobie całą biżuterię, srebrną, złotą, czy z innych szlachetnych metali ciężkich. Pomyślmy o uranie, z którego czerpiemy energię. Wszystkie te pierwiastki są świadectwem momentalnej, potężnej śmierci dużych gwiazd i ich prochami.

Ukazany na początku wzór jest rozszerzeniem standardowego równania Einsteina E=mc2. Części ludzi równanie to wydaje się banalne - innej części w ogóle niezrozumiałe. O co w nim w ogóle chodzi? Równanie to w prosty sposób wiąże energię i masę. Ukazuje ono, że energia może być zamieniona w masę, bądź (co dla nas jest bardziej pożyteczne) masa w energię. O tym, jak niesamowite są to porównania świadczy chociażby fakt, jakiej ilości niszczycielskiej energii może dostarczyć bomba atomowa (albo termojądrowa), którą to energię porównuje się do milionów ton trotylu, którego wybuch byłby porównywalny. A substancja odpowiedzialna za wybuch takiej bomby może ważyć tylko kilkadziesiąt kg! Według niektórych porównań z 1 grama uranu można otrzymać tyle energii, ile przy spaleniu niemalże 3 ton węgla. Czysto teoretycznie (ponieważ tak się nie da): ile miejsca w piwnicy byście zyskali przerzucając się z węgla na uran, żeby zapewnić w zimie ciepło w Waszym domu?

Ale jak to się ma do E=mc2? Równaniem tym Einstein "zamienił" masę w energię. Wystarczy zażyczyć sobie, ile energii byśmy chcieli do równania i wyjdzie nam, ile do tego musimy użyć masy. Masy... czego? Materii, którą zamieniamy w energię. Z dotychczas znanych wszelkich zasad fizyki królowała zasada zachowania masy w układzie. Jeśli do reakcji użyjemy 5g substancji A i 5g substancji B, to obojętnie ile otrzymamy produktów ich łączna masa musi wynieść 10g. Przy doświadczeniu z rozszczepieniem jądra atomu zaobserwowano coś, co nie pasowało do tego modelu. Otóż mając początkowo ciężkie jądro o wadze "x", po jego rozszczepieniu otrzymano kilka składników, np. dwa inne lżejsze jądra i kilka neutronów. Ich łączna masa była nieco mniejsza niż początkowy "x", co sugerowało, że różnica - no właśnie - wyparowała!?! Otóż zabrały ją nic nie ważące kwanty promieniowania gamma, które poruszają się z prędkością światła. Są one "czystą" energią.

Z czego zbudowana jest materia? Człowiek od zawsze szukał czegoś drobniejszego, z czego są zbudowane większe cząstki. Odnaleźliśmy atomy i określiliśmy jak są zbudowane. Określiliśmy zatem proton, neutron i elektron. Ale one też są z czegoś jeszcze zbudowane. Najbardziej podstawowe składniki materii nam znane to fermiony, które dzielą się na leptony i kwarki (oprócz fermionów są też bozony - cząstki te różnią się od siebie spinem). Leptony są cząstkami, które mogą występować samodzielnie, natomiast kwarki łącząc się po dwa lub trzy tworzą większe cząstki zwane hadronami. Hadrony zatem nie są cząstkami podstawowymi, ale zaliczane są do cząstek elementarnych. Najbardziej popularne to proton i neutron. W poniższej tabeli podane zostały fermiony tworzące materię.

Leptony

Kwarki

rodzaj

ładunek elektryczny

masa (MeV/c2)

średni czas życia (s)

rodzaj (zapach)

ładunek elektryczny

masa (GeV/c2)

Trwałość

e (elektron)

-1

0,51

trwały

u (górny)

2/3

0,0027

trwały

νe (neutrino elektronowe)

0

<15 * 10-6

trwałe

d (dolny)

-1/3

0,005

trwały

μ (mion)

-1

105,7

1,52 * 10-6

c (powabny)

2/3

1,2

nietrwały

ν μ (neutrino mionowe)

0

<0,17

trwałe (?)

s (dziwny)

-1/3

0,1

nietrwały

τ (tauron)

-1

1777,1

0,3 * 10-9

t (szczytowy)

2/3

174

nietrwały

ν τ (neutrino tauronowe)

0

<18

trwałe (?)

b (spodni)

-1/3

4,2

nietrwały

γ

Oddzielną grupę stanowią cząstki należące do bozonów, które przenoszą oddziaływania. Przez oddziaływania rozumiemy procesy zderzeń, rozpadu lub łączenia się cząstek i możemy je opisać jako wymianę kwantów pola, które je wywołuje. W wielu procesach rozpadu lub anihilacji cząstka rozpada się na bardzo wysokoenergetyczną (ciężką) cząstkę, będącą nośnikiem oddziaływania, która niemal natychmiast przekształca się w niskoenergetyczną (lekką) cząstkę stanowiącą produkt przemiany. Znane są cztery typy oddziaływań przenoszonych przez odpowiednie cząstki.

1. Oddziaływania grawitacyjne - związane są z masą cząstki lub ciał makroskopowych. Kwanty tego pola, tzw. grawitony, nie zostały jeszcze wykryte (rok 2011). W oddziaływaniach pomiędzy cząstkami elementarnymi występowania tych sił można pominąć.

2. Oddziaływania elektromagnetyczne - występują pomiędzy cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Kwantem tego pola jest foton - cząstka o zerowej masie i ładunku. Nie ma on swojego odpowiednika w antymaterii, czyli nie istnieje "antyfoton".

3. Oddziaływania słabe - odpowiedzialne są za fakt, że wszystkie cięższe kwarki i leptony rozpadają się na lżejsze. Dlatego cała trwała materia składa się z najlżejszych kwarków i elektronów. Cząstkami przenoszącymi oddziaływania są bozony W+ i W- (86 razy cięższe od protonu) oraz elektrycznie obojętny najcięższy bozon Z (97 razy cięższy od protonu). W Modelu Standardowym oddziaływania słabe i elektromagnetyczne połączone są w zunifikowaną teorię oddziaływań elektrosłabych.

4. Oddziaływania silne - łączą kwarki w hadronach i są przenoszone przez cząstki o zerowej masie i ładunku elektrostatycznym, nazywane gluonami. Gluony, podobnie jak fotony, nie mają odpowiednich antycząstek.

Wyróżniamy dwa główne typy przemian jądrowych:
- spontaniczne - rozpad promieniotwórczy (α, β, γ) i samorzutne rozszczepienie jąder;
- wymuszone - reakcje jądrowe polegające na oddziaływaniu między sobą jąder bądź jąder i cząstek elementarnych.
Osobno można potraktować procesy jądrowe zachodzące w gwiazdach, którym towarzyszą temperatury milionów stopni, ponieważ zachodzą one w naturze, ale wymuszają je ekstremalne warunki bardzo trudne do odtworzenia w laboratorium.
We wszystkich przemianach jądrowych obowiązują prawa zachowania energii, pędu i ładunku.

Rozpad promieniotwórczy α lub β jest to przemiana jednego pierwiastka w inny z jednoczesną emisja odpowiedniej cząstki (α lub β). Prawdopodobieństwo rozpadu promieniotwórczego jako charakterystyczną wielkość poszczególnych nuklidów określa stała szybkości rozpadu promieniotwórczego wyrażona w jednostkach 1/s. Odwrotnością tej stałej jest trwałość wyrażona w czasie życia nuklidu. Czas, w którym połowa z początkowej liczby jąder ulega rozpadowi nazywamy okresem półtrwania bądź okresem połowicznego rozpadu.

Rozpad α Przemianie tej ulegają głównie jądra ciężkie. Energię tego rozpadu liczy się w MeV. Polega ona na emisji cząstek składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli jąder helu. Przemiana ta jest głównym źródłem helu na Ziemi. Naturalne emitery cząstek α, z których najcięższy jest uran, są rozpowszechnione i ciepło wydzielane podczas ich przemian promieniotwórczych ogrzewa także wnętrze Ziemi. W wyniku emisji cząstki α masa jądra macierzystego zmniejsza się o cztery atomowe jednostki masy a ładunek o dwa ładunki elementarne. Niektóre nuklidy emitują cząstki α o jednakowej energii a niektóre oprócz tego emitują również kwanty γ, W tym drugim przypadku energie emitowanych cząstek wahają się w pewnym przedziale.

Rozpad β Efektem tego rozpadu jest przemiana neutronu w proton (rozpad β-) lub protonu w neutron (rozpad β+). Energia promieniowania β zawiera się w granicach od kilkudziesięciu keV do kilku MeV. Ponieważ cząstki β mają znacznie większe prędkości niż cząstki α, należy uwzględnić poprawkę na relatywistyczny przyrost masy. Średnia energia emitowanych cząstek wynosi zwykle około 1/3 ich energii maksymalnej. Rozpad β- następuje wtedy, gdy w jądrze znajduje się nadmiar neutronów w stosunku do protonów. Neutron ulega wtedy rozpadowi na proton, elektron i antyneutrino. Jest to często obserwowany proces, co wynika z nadmiaru neutronów w jądrach atomów nad protonami. Przemianę tę obserwuje się również w reakcjach jądrowych, w których następuje pochłanianie neutronów.
Gdy w jądrze występuje nadmiar protonów w stosunku do neutronów można zaobserwować rozpad β+, czyli zamianę protonu w neutron. Towarzyszy temu zjawisku emisja pozytonu oraz neutrina. W przyrodzie jednak nie występują jądra z nadmiarem protonów, dlatego ten rodzaj promieniowania nie jest zaliczany do naturalnego. Przemianą konkurencyjną w stosunku do przemiany β+ jest wychwyt elektronu K. Daje ona taki sam rezultat, jak przemiana β+. Jej nazwa pochodzi stąd, że w reakcji tej przez jądro atomu pochłaniany jest elektron z powłoki K, w wyniku czego jeden z protonów przekształca się w neutron.
Przez dłuższy czaas neutrino uważane było za cząstkę hipotetyczną, ponieważ nie można było jej wykryć doświadczalnie ze względu na bardzo mały przekrój czynny na reakcje jądrowe. Wykrycie utrudniał brak ładunku elektrycznego neutrina. Cząstki te docierają na Ziemię bezpośrednio ze Słońca a także powstają wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego na atmosferę i materię ziemską. Ich obfitym źródłem są także reaktory atomowe.

Przemiana γ Podczas emisji cząstek α, β lub wychwytu K często następuje wzbudzenie jądra, które przechodząc następnie do stanu podstawowego emituje kwanty promieniowania elektrostatycznego o różnej energii (najczęściej z przedziału 10 keV - 7 MeV). Energia wzbudzonego jądra czasami może powodować wybicie elektronu z określonej powłoki. Proces ten jest konkurencyjny w stosunku do promieniowania γ.
Podczas przemiany γ nie następuje zmiana masy czy ładunku jądra. Przemiana ta zachodzi z reguły bardzo szybko, w czasie bilionowych ułamków sekundy. Wyjątkiem w tej regule są izomery jądrowe, które mają często dużo dłuższy czas życia sięgający aż po wiele lat.

Samorzutne rozszczepienie jądra Jest to jeden ze sposobów rozpadu promieniotwórczego, który jest obserwowany najczęściej w przypadku  jąder o dużych liczbach atomowych, głównie wśród pierwiastków transuranowych. Wśród występujących w przyrodzie taką skłonność wykazuje jedynie 235U, chociaż głównie ulega on rozpadowi α. Właśnie odkrycie zjawiska samorzutnego rozszczepienia jądra izotopu uranu 235 przyczyniło się do jego zastosowania w bombie atomowej oraz w reaktorach atomowych. Proces ten uwarunkowany jest nietrwałością jądra atomowego. Najogólniej nietrwałość można zdefiniować jako stosunek energii odpychania budujących dane jądro nukleonów do energii ich przyciągania:
nietrwałość - energia odpychania / energia przyciągania = Z2/A
gdzie Z - liczba atomowa, A - masa atomowa. W przypadku, gdy iloraz ten jest wyższy od 45 istnieje szansa na wystąpienie samorzutnego rozszczepienia atomu. W wyniku wystąpienia tego rodzaju przemiany jądrowej powstają pierwiastki leżące w rejonie środka układu okresowego będące zwykle emiterami cząstek β-. W procesie tym występuje duży defekt masy, więc wyzwalają się znaczne ilości energii.



  1. αβγ
  1. αβγ

Terminem reakcji jądrowych zwykle określa się proces, w którym różne cząstki lub kwanty uderzają w jądro (jako tarczę) i wywołują jego przemianę. Dość standardowo reakcję jądrową można przedstawić równaniem:

A + x -> B + y + ΔE

Dodatnia wartość różnicy energii oznacza reakcję egzoenergetyczną, czyli taką, w której uwalnia się energia; ujemna wartość energii oznacza reakcję endoenergetyczną, czyli pochłanianie energii przez układ. Reakcje jądrowe zapisuje się zwykle w postaci:

A(x,y)B

gdzie A symbolizuje uderzane jądro przez cząstkę x, po czym następuje emisja cząstki y i przekształcenie w jądro B. Przeszkodą w zajściu reakcji jest istnienie bariery potencjału wokół jądra, która to musi być pokonana, aby reakcja mogła zajść. Gdy cząstki nie zderzają się centralnie bariera ta staje się większa. W przypadku, gdy w reakcji uczestniczą lekkie cząsteczki (np. cząstki α, protony) mogą pojawiać się efekty tunelowe, dzięki którym reakcja może zachodzić bez osiągnięcia energii wymaganej przez barierę potencjału. Bardzo łatwo zachodzą reakcje z uczestnictwem neutronów, szczególnie tych o małej energii.

Reakcje jądrowe przebiegają zgodnie z prawami zachowania energii i masy układu. W przypadku, gdy masy jąder i cząstek reagujących wyrażane są w atomowych jednostkach masy, zachodzi następujące porównanie:

ΔE = 931,5 * (mx + mA – my – mB) MeV

Przekrój czynny jest wielkością opisującą w sposób ilościowy reakcję jądrową. Może być traktowany jako stała szybkości w reakcjach chemicznych. Szybkość reakcji można określi z ubytku liczby jąder A lub przyrostu liczby jąder B w danej jednostce czasu.

Reakcję jądrową zwykle opisuje się wykorzystując kolejny – pośredni – atom wzbudzony, który nie jest ani atomem wyjściowym, ani ostatecznym produktem przemiany. Jądro, po „wchłonięciu” cząstki bombardującej, zwane jądrem złożonym, znajduje się przez pewien czas (zwykle ekstremalnie krótki) w stanie wzbudzonym, z którego często można otrzymać kilka różnych produktów przemiany.

Najważniejsze typy reakcji jądrowych:

  1. Niesprężyste rozproszenie cząstek, które polega na zmianie pędu cząstki uderzającej i jądra tarczy, przy czym część energii cząstki padającej zostaje zużyta na wzbudzenie jądra tarczy. Jądro wzbudzone, powracając do stanu podstawowego, emituje kwant(y) promieniowania γ.
  2. Wychwyt cząstki z utworzeniem nowego jądra, które zwykle jest wzbudzone i podczas przechodzenia do stanu podstawowego emituje kwant(y) γ.
  3. Wychwyt cząstki z utworzeniem nowego jądra i emisją innej cząstki (np. protonu, neutronu, elektronu, deuteronu, cząstki α itp.) lub jądra lekkiego.
  4. Wychwyt cząstki z utworzeniem nowego jądra i emisją kilku innych cząstek.
  5. Wychwyt kwantów γ lub fotonów o dużej energii, połączony z przemianą jądrową, której często towarzyszy emisja neutronu.
  6. Kruszenie jądra, czyli odrywanie od jądra tarczy większych jego fragmentów. Kruszeniu ulegają najczęściej jądra ciężkie, wtedy gdy cząstka padająca na tarczę ma bardzo dużą energię (powyżej 100 MeV).
  7. Rozszczepienie polegające na rozpadzie jądra na dwa fragmenty o podobnych masach z jednoczesną emisją kilku neutronów.
  8. Reakcja termojądrowa, która polega na łączeniu cząstek lub lekkich jąder. Do zajścia reakcji termojądrowej jest konieczna bardzo duża energia zderzających się cząstek.

Na szczególną uwagę z punktu widzenia wytwarzania olbrzymich ilości energii zasługują dwa ostatnie typy reakcji. Rozszczepienia jądra atomu można dokonać dzięki bombardowaniu atomów różnymi cząstkami, najczęściej neutronami termicznymi. Pierwszą tego typu reakcją było zaobserwowane w 1939 roku rozszczepienie jądra 235U. Powstające przejściowe jądro złożone 236U może ulegać rozszczepieniu na różny sposób, w wyniku czego powstają różne produkty. Rozszczepieniu jednego jądra 235U towarzyszy uwolnienie ok 200 MeV energii - głównie w postaci energii kinetycznej produktów przemiany. Reakcję tę wykorzystano początkowo do konstrukcji bomby atomowej a następnie do wytwarzania energii w elektrowniach jądrowych.

Drugą wysoce energetyczną przemianę stanowią reakcje termojądrowe, które polegają na łączeniu się dwóch lekkich jąder. Ponieważ powstające nowe jądro ma masę mniejszą od dwóch wyjściowych, w reakcjach tych wyzwala się znaczna energia. Niezbędnym warunkiem do zajścia takiej reakcji jest pokonanie bariery odpychania kulombowskiego i zbliżenie jąder na odległość oddziaływań sił jądrowych, co wymaga nadania tym jądrom energii kinetycznej wielkości MeV. Energii 1eV odpowiada temperatura 1,16 * 104K. Dlatego też aby umożliwić zajście tych reakcji należy początkowo układowi nadać olbrzymie temperatury. Z tego też względu reakcje te nazywane są termojądrowymi.

Więcej artykułów…
  • slide11.jpg
  • slide22.jpg
  • slide33.jpg
  • slide44.jpg
  • slide55.jpg