Најважније из лекције
Историјске реакције: Протон је откривен реакцијом \(_{2}^{4}\text{He} + _{7}^{14}\text{N} \rightarrow _{8}^{17}\text{O} + _{1}^{1}\text{p}\), а неутрон реакцијом \(_{2}^{4}\text{He} + _{4}^{9}\text{Be} \rightarrow _{6}^{12}\text{C} + _{0}^{1}\text{n}\).
Фузија у звездама: Кроз протон–протон циклус, спајањем 4 протона настаје језгро хелијума \(_{2}^{4}\text{He}\) уз ослобађање позитрона, неутрина, гама зрачења и енергије.
Вештачка радиоактивност: Бомбардовањем стабилних језгара добијају се радиоактивни изотопи и трансурански елементи (\(Z > 92\)).
Нуклеарно оружје: Фисионе бомбе користе ланчану фисију урана/плутонијума (ударно, топлотно, радиоактивно дејство), док термонуклеарне бомбе користе фузију изотопа водоника и имају знатно већу разорну моћ.
Акцелератори: Линеарни (LINAC) и кружни (циклотрони) системи користе електрична и магнетна поља за убрзавање честица до \(\text{TeV}\) енергија за потребе нуклеарних истраживања.
Фузија у звездама: Кроз протон–протон циклус, спајањем 4 протона настаје језгро хелијума \(_{2}^{4}\text{He}\) уз ослобађање позитрона, неутрина, гама зрачења и енергије.
Вештачка радиоактивност: Бомбардовањем стабилних језгара добијају се радиоактивни изотопи и трансурански елементи (\(Z > 92\)).
Нуклеарно оружје: Фисионе бомбе користе ланчану фисију урана/плутонијума (ударно, топлотно, радиоактивно дејство), док термонуклеарне бомбе користе фузију изотопа водоника и имају знатно већу разорну моћ.
Акцелератори: Линеарни (LINAC) и кружни (циклотрони) системи користе електрична и магнетна поља за убрзавање честица до \(\text{TeV}\) енергија за потребе нуклеарних истраживања.
Откриће протона: Ернест Радерфорд је 1919. године бомбардовањем језгара азота алфа честицама (\(_{2}^{4}\text{He}\)) изазвао прву вештачку нуклеарну трансформацију, при чему је детекцијом сцинтилација доказано емитовање протона.
\[ _{2}^{4}\text{He} + _{7}^{14}\text{N} \rightarrow _{8}^{17}\text{O} + _{1}^{1}\text{p} \]
Откриће неутрона: Џејмс Чедвик је 1932. године бомбардовао језгра берилијума алфа честицама. Новонастало зрачење није скретало ни у електричном ни у магнетном пољу, што је доказало постојање електронеутралне честице масе приближне протону - неутрона.
\[ _{2}^{4}\text{He} + _{4}^{9}\text{Be} \rightarrow _{6}^{12}\text{C} + _{0}^{1}\text{n} \]
Која честица \(X\) настаје у нуклеарној реакцији: \(_{4}^{9}\text{Be} + _{2}^{4}\text{He} \rightarrow _{6}^{12}\text{C} + X\)?
Применом закона одржања наелектрисања (атомског броја) и масеног броја:
Масени број: \(9 + 4 = 12 + A \implies A = 1\)
Редни (атомски) број: \(4 + 2 = 6 + Z \implies Z = 0\)
Честица са карактеристикама \(_{0}^{1}X\) јесте неутрон (\(_{0}^{1}\text{n}\)).
Масени број: \(9 + 4 = 12 + A \implies A = 1\)
Редни (атомски) број: \(4 + 2 = 6 + Z \implies Z = 0\)
Честица са карактеристикама \(_{0}^{1}X\) јесте неутрон (\(_{0}^{1}\text{n}\)).
Нуклеарна фузија у звездама је процес спајања лаких језгара водоника у стабилнија језгра хелијума при екстремно високим температурама и притисцима, при чему се ослобађа огромна енергија.
Звезде главног низа енергију добијају доминантно путем протон–протон циклуса (p-p циклус). У каснијим фазама еволуције звезда, када се водоник истроши, енергија се ослобађа кроз друге циклусе (нпр. CNO-циклус).
\[ 1.\quad _{1}^{1}\text{p} + _{1}^{1}\text{p} \rightarrow _{1}^{2}\text{D} + _{1}^{0}\text{e} + \nu_{e} \]
\[ 2.\quad _{1}^{1}\text{p} + _{1}^{2}\text{D} \rightarrow _{2}^{3}\text{He} + \gamma \]
\[ 3.\quad _{2}^{3}\text{He} + _{2}^{3}\text{He} \rightarrow _{2}^{4}\text{He} + 2\,_{1}^{1}\text{p} \]
*Ознаке: \(_{1}^{2}\text{D}\) – деутеријум (тешки водоник), \(_{1}^{0}\text{e}\) – позитрон, \(\nu_{e}\) – електронски неутрино, \(\gamma\) – гама фотон.
Хелијум (\(\text{He}\)) је једини хемијски елемент који је најпре откривен спектралном анализом на Сунцу, па тек накнадно идентификован на Земљи.
Вештачка (индукована) радиоактивност је процес стварања нестабилних (радиоактивних) изотопа бомбардовањем стабилних језгара пројектилима попут алфа честица, протона или неутрона.
Овај феномен су први открили Ирена Жолио-Кири и Фредерик Жолио бомбардовањем алуминијума алфа честицама, при чему је настао радиоактивни изотоп фосфора који се потом \(\beta^+\) распадом претвара у стабилни силицијум.
Трансурански елементи: Вештачки добијени хемијски елементи чији је атомски број већи од атомског броја урана (\(Z > 92\)). Сви ови елементи су радиоактивни и добијени су реакцијама вештачке радиоактивности.
Ослобађање огромне количине енергије у изузетно кратком временском интервалу остварује се кроз неконтролисане ланчане реакције.
| Тип оружја | Основни физички процес | Нуклеарно гориво | Карактеристике и дејства |
|---|---|---|---|
| Нуклеарна (атомска) бомба | Неконтролисана ланчана фисија тешких језгара | Уран (\(^{235}\text{U}\)) или Плутонијум (\(^{239}\text{Pu}\)) | Изазива три истовремена дејства: ударно (разорни талас притиска), топлотно (температуре до \(10^7\text{ K}\)) и радиоактивно (\(\alpha, \beta, \gamma\) зрачење). Снага се изражава у килотонима (kt). |
| Термонуклеарна (хидрогенска) бомба | Неконтролисана фузија лаких језгара (покренута фисионим упаљачем) | Изотопи водоника (деутеријум, трицијум) | Знатно већа разорна и топлотна моћ од фисионе бомбе због температура од више десетина милиона степени. |
Акцелератори су уређаји који помоћу снажних електромагнетних поља убрзавају наелектрисане честице (електроне, протоне, јоне) до великих кинетичких енергија (реда величине \(\text{TeV}\)) како би се изазвале нуклеарне реакције при судару са метом.
Састоји се од низа праволинијски постављених шупљих цилиндричних електрода. Честице се убрзавају у међупросторима између електрода правилном променом високофреквентног поларитета напона.
Користи магнетно поље за савијање путање честица у кружне/спиралне путање и електрично поље за њихово вишекратно убрзавање. Често се линеарни акцелератори користе за прединјектирање честица у циклотроне.
При убрзавању до брзина блиских брзини светлости јављају се релативистички ефекти, због чега је неопходно вршити фину синхронизацију фреквенције промене електричног поља са кретањем честица.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Напишите једначину нуклеарне реакције којом је Радерфорд открио протон бомбардовањем језгра азота \(_{7}^{14}\text{N}\) алфа честицама.
Алфа честица представља језгро хелијума \(_{2}^{4}\text{He}\). Реакција гласи:
\[ _{2}^{4}\text{He} + _{7}^{14}\text{N} \rightarrow _{8}^{17}\text{O} + _{1}^{1}\text{p} \]
Производи реакције су изотоп кисеоника \(_{8}^{17}\text{O}\) и слободан протон \(_{1}^{1}\text{p}\).
Задатак 2 (средњи): Колико је укупно протона потребно да уђе у почетне реакције протон–протон циклуса да би се формирало једно стабилно језгро хелијума \(_{2}^{4}\text{He}\), и колико се протона притом враћа назад у циклус?
Према шеми p-p циклуса:
1. За стварање једног језгра \(_{2}^{3}\text{He}\) потребна су 2 протона за деутеријум и још 1 за спајање са деутеријумом, што је укупно 3 протона: \[ 2\,_{1}^{1}\text{p} \rightarrow \,_{1}^{2}\text{D} + \,_{1}^{0}\text{e} + \nu_e \] \[ _{1}^{2}\text{D} + \,_{1}^{1}\text{p} \rightarrow \,_{2}^{3}\text{He} + \gamma \]
2. За завршни корак потребна су два таква језгра \(_{2}^{3}\text{He}\), што значи да у процес улази укупно \(2 \times 3 = 6\) протона.
3. У завршној реакцији: \[ _{2}^{3}\text{He} + _{2}^{3}\text{He} \rightarrow _{2}^{4}\text{He} + 2\,_{1}^{1}\text{p} \] ослобађају се назад 2 протона.
Закључак: Нето утрошак је \(6 - 2 = 4\) протона за настанак једног језгра \(_{2}^{4}\text{He}\).
1. За стварање једног језгра \(_{2}^{3}\text{He}\) потребна су 2 протона за деутеријум и још 1 за спајање са деутеријумом, што је укупно 3 протона: \[ 2\,_{1}^{1}\text{p} \rightarrow \,_{1}^{2}\text{D} + \,_{1}^{0}\text{e} + \nu_e \] \[ _{1}^{2}\text{D} + \,_{1}^{1}\text{p} \rightarrow \,_{2}^{3}\text{He} + \gamma \]
2. За завршни корак потребна су два таква језгра \(_{2}^{3}\text{He}\), што значи да у процес улази укупно \(2 \times 3 = 6\) протона.
3. У завршној реакцији: \[ _{2}^{3}\text{He} + _{2}^{3}\text{He} \rightarrow _{2}^{4}\text{He} + 2\,_{1}^{1}\text{p} \] ослобађају се назад 2 протона.
Закључак: Нето утрошак је \(6 - 2 = 4\) протона за настанак једног језгра \(_{2}^{4}\text{He}\).
Задатак 3 (тежак): Која је суштинска разлика у механизму покретања и ослобађања енергије између фисионе (атомске) и термонуклеарне (хидрогенске) бомбе, и зашто је хидрогенској бомби неопходан фисиони упаљач?
1. Физички механизам: Фисиона бомба користи цепање тешких језгара (\(^{235}\text{U}\) или \(^{239}\text{Pu}\)) путем неконтролисане ланчане реакције изазване неутронима. Термонуклеарна бомба ослобађа енергију спајањем (фузијом) лаких језгара водоника у хелијум.
2. Потреба за упаљачем: Да би дошло до фузије, језгра водоника морају савладати изузетно јаке одбојне електростатичке (Кулонове) силе, што је могуће искључиво на температурама од више десетина милиона келвина и огромним притисцима. Једини начин да се на Земљи тренутно створе такви екстремни услови јесте претходно активирање фисионе нуклеарне бомбе која служи као упаљач за фузију.
2. Потреба за упаљачем: Да би дошло до фузије, језгра водоника морају савладати изузетно јаке одбојне електростатичке (Кулонове) силе, што је могуће искључиво на температурама од више десетина милиона келвина и огромним притисцима. Једини начин да се на Земљи тренутно створе такви екстремни услови јесте претходно активирање фисионе нуклеарне бомбе која служи као упаљач за фузију.
