Најважније из лекције
Нуклеарне реакције: Процеси трансформације језгара сударом са честицама пројектилима (најчешће неутронима).
Нуклеарна фисија: Цепање тешког језгра на два лакша уз емисију неутрона и енергије (\(^{235}\text{U} \rightarrow \text{Ba} + \text{Kr} + \text{неутрони}\)). Основ ланчане реакције; контролише се у реакторима.
Нуклеарна фузија: Спајање лаких језгара у теже (\(^{2}\text{H} + ^{3}\text{H} \rightarrow ^{4}\text{He} + \text{n}\)). Извор енергије звезда; захтева екстремне температуре (стање плазме).
Плазма и елементарне честице: Плазма је јонизовани гас на високим температурама. Елементарне честице (12 фермиона, 4 бозона) су недељиви градивни блокови материје и истражују се у акцелераторима (LHC у CERN-у).
Нуклеарна фисија: Цепање тешког језгра на два лакша уз емисију неутрона и енергије (\(^{235}\text{U} \rightarrow \text{Ba} + \text{Kr} + \text{неутрони}\)). Основ ланчане реакције; контролише се у реакторима.
Нуклеарна фузија: Спајање лаких језгара у теже (\(^{2}\text{H} + ^{3}\text{H} \rightarrow ^{4}\text{He} + \text{n}\)). Извор енергије звезда; захтева екстремне температуре (стање плазме).
Плазма и елементарне честице: Плазма је јонизовани гас на високим температурама. Елементарне честице (12 фермиона, 4 бозона) су недељиви градивни блокови материје и истражују се у акцелераторима (LHC у CERN-у).
Нуклеарне реакције су процеси трансформације атомских језгара услед њиховог судара са лаким честицама (пројектилима).
Прве вештачке радиоактивне елементе произвели су 1934. године Ирена и Фредерик Жолио-Кири бомбардовањем језгара убрзаним честицама.
Пројектили за изазивање нуклеарних реакција могу бити протони, алфа-честице и друга лака језгра, а најчешће се користе неутрони.
Ослобођена енергија у нуклеарним реакцијама назива се нуклеарна енергија и знатно је већа од енергије хемијских реакција.
Због чега су неутрони веома ефикасни пројектили за изазивање нуклеарних реакција?
Неутрони су електрично неутралне честице, па не трпе електростатичко одбијање позитивно наелектрисаног атомског језгра и могу лако да продру у њега.
Нуклеарна фисија је нуклеарна реакција у којој се тешко атомско језгро цепа на два мања, лакша језгра (фисиони продукти), уз емисију неутрона, \(\gamma\)-зрачења и ослобађање велике количине енергије.
Фисија може бити:
- Спонтана – одвија се природно и веома споро (нпр. код изотопа урана \(^{235}_{\phantom{0}92}\text{U}\)).
- Индукована – настаје када тешко језгро захвати неутрон, постане нестабилно и потом се расцепи.
Ланчана реакција је процес у коме неутрони настали фисијом једног језгра погађају суседна тешка језгра и изазивају њихово цепање, чиме се процес самостално наставља и енергија прогресивно увећава.
Пример цепања урана:
\[ ^{235}_{\phantom{0}92}\text{U} + \text{n} \rightarrow \text{Ba} + \text{Kr} + \text{неутрони} + \text{енергија} \]
Фисија се одвија контролисано у нуклеарним реакторима (где се вишак неутрона апсорбује ради производње струје) или неконтролисано у нуклеарном (атомском) оружју. Фисијом \(1\text{ kg}\) урана ослобађа се енергија једнака сагоревању око \(3000\text{ t}\) нафте.
Нуклеарна фузија је процес спајања два лака атомска језгра у једно теже језгро, при чему се ослобађа још већа количина енергије по јединици масе него при фисији.
Да би се језгра спојила, морају савладати изузетно јаке одбојне електричне силе. Због тога се фузија може одвијати искључиво на екстремно високим температурама и притисцима (у стању плазме).
Фузија изотопа водоника (деутеријума и трицијума):
\[ ^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n} + \text{енергија} \]
Нуклеарна фузија је основни извор енергије Сунца и других звезда. На Земљи се за сада неконтролисано користи у термонуклеарном оружју (хидрогенска бомба), док је контролисана фузија у лабораторијским условима још увек у фази развоја.
Плазма представља четврто агрегатно стање материје које чини јонизовани гас на веома високим температурама. Чак око 99% видљивог свемира налази се у стању плазме.
Субатомске честице су све честице мање од атомског језгра (протони, неутрони, електрони, позитрони итд.).
Елементарне честице су основне честице које немају унутрашњу структуру и не могу се поделити на ситније делове. Према Стандардном моделу, чине их 12 фермиона (међу којима је и електрон) и 4 основна бозона.
Акцелератори су уређаји у којима се снопови наелектрисаних честица убрзавају до брзина блиских брзини светлости и сударају, како би се помоћу детектора проучавале нове елементарне честице (нпр. Велики хадронски сударач – LHC у CERN-у дужине \(27\text{ km}\)).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је суштинска разлика између процеса нуклеарне фисије и нуклеарне фузије?
Фисија је цепање једног тешког језгра на два лакша, док је фузија спајање два лака језгра у једно теже. Оба процеса прати ослобађање велике количине нуклеарне енергије.
Задатак 2 (средњи): Објасните улогу неутрона у одржавању ланчане нуклеарне реакције код изотопа урана \(^{235}_{\phantom{0}92}\text{U}\).
Када један неутрон погоди и расцепи језгро урана, поред лакших фрагмената емитују се 2 до 3 нова неутрона. Ти новонастали неутрони затим погађају суседна језгра урана и изазивају њихово цепање, чиме се реакција ланчано наставља и шири без потребе за спољашњим извором честица.
Задатак 3 (средњи): Која је разлика између субатомских и елементарних честица? Наведите пример за сваку од њих.
Субатомске честице су све честице мање од атома/језгра (могу бити и сложене, нпр. протон и неутрон, јер се састоје од кваркова).
Елементарне честице немају унутрашњу структуру и не могу се даље разложити на ситније делове (нпр. електрон). Све елементарне честице су субатомске, али нису све субатомске честице елементарне.
Елементарне честице немају унутрашњу структуру и не могу се даље разложити на ситније делове (нпр. електрон). Све елементарне честице су субатомске, али нису све субатомске честице елементарне.
Задатак 4 (тежак): Зашто је за покретање фузије деутеријума и трицијума потребна изузетно висока температура, док фисија урана може да започне и помоћу спорих неутрона на собној температури?
Језгра деутеријума и трицијума су позитивно наелектрисана, па међу њима делују јаке електростатичке (Кулонове) одбојне силе. Да би се та одбојност савладала и језгра приближила на растојање на којем делују јаке нуклеарне силе, честице морају имати огромне кинетичке брзине, што захтева температуру од више милиона степени (стање плазме). Са друге стране, фисију изазива неутрон који нема наелектрисање, па несметано улази у језгро урана без електростатичког одбијања.
