Најважније из лекције
Природна радиоактивност: Спонтана трансформација нестабилних језгара уз емисију \( \alpha \) (језгра \( \text{He} \)), \( \beta \) (електрони/позитрони) или \( \gamma \) зрачења (ЕМ таласи).
Закони одржања: У нуклеарним реакцијама укупан збир масених бројева (\( A \)) и укупан збир наелектрисања (\( Z \)) пре и после реакције мора бити једнак.
Период полураспада (\( T_{1/2} \)): Време за које се распадне \( 50\% \) радиоактивних језгара.
Фисија vs. Фузија: Фисија је цепање тешких језгара (покреће се неутронима; нуклеарне електране), док је фузија спајање лаких језгара (одвија се на Сунцу уз огромну температуру). Обе реакције ослобађају велике количине енергије.
Закони одржања: У нуклеарним реакцијама укупан збир масених бројева (\( A \)) и укупан збир наелектрисања (\( Z \)) пре и после реакције мора бити једнак.
Период полураспада (\( T_{1/2} \)): Време за које се распадне \( 50\% \) радиоактивних језгара.
Фисија vs. Фузија: Фисија је цепање тешких језгара (покреће се неутронима; нуклеарне електране), док је фузија спајање лаких језгара (одвија се на Сунцу уз огромну температуру). Обе реакције ослобађају велике количине енергије.
Природна радиоактивност је појава спонтаног распада нестабилних атомских језгара при којем настаје ново језгро, емитују се честице или електромагнетни таласи и ослобађа се енергија.
Појаву радиоактивности открио је Анри Бекерел (1896. године), а значајна истраживања наставили су Марија и Пјер Кири.
Стабилност језгра зависи од односа броја протона и неутрона, као и од енергије везивања нуклеона. Тешка језгра (масени број \( A > 200 \)) углавном су нестабилна и радиоактивна.
Радиоактивни распад је случајан процес и не може се тачно предвидети када ће се појединачно језгро распасти.
У електричном и магнетном пољу радиоактивно зрачење се раздваја на три компоненте:
- Алфа (\( \alpha \)) зраци: Позитивно наелектрисане честице (скрећу ка негативној електроди). Представљају језгра хелијума \( _{2}^{4}\text{He}^{2+} \) састављена од 2 протона и 2 неутрона. Имају најмању продорност.
- Бета (\( \beta \)) зраци: Наелектрисане честице веће продорности од алфа зрака. Најчешће су то негативни електрони \( \beta^{-} \) (скрећу ка позитивној електроди), а могу бити и позитрони \( \beta^{+} \).
- Гама (\( \gamma \)) зраци: Електромагнетни таласи високе фреквенције и велике енергије. Електрично су неутрални (не скрећу у електричном пољу) и изузетно су продорни.
У свим нуклеарним трансформацијама важе закон одржања броја нуклеона (масеног броја \( A \)) и закон одржања наелектрисања (原子ског/редног броја \( Z \)).
Алфа (\( \alpha \)) распад:
\[ _{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z-2}^{A-4}\text{Y} + _{2}^{4}\alpha \]
Редни број новог језгра се смањује за 2, а масени за 4.
Алфа распад уранијума у торијум:
\[ _{92}^{238}\text{U} \rightarrow _{90}^{234}\text{Th} + _{2}^{4}\alpha \]
Бета минус (\( \beta^{-} \)) распад:
\[ _{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z+1}^{A}\text{Y} + e^{-} \]
Један неутрон у језгру се трансформише у протон и електрон (\( n \rightarrow p^{+} + e^{-} \)). Масени број остаје исти, а редни број се повећава за 1. При овом распаду емитује се и антинеутрино.
Бета плус (\( \beta^{+} \)) распад:
\[ _{Z}^{A}\text{X} \rightarrow _{Z-1}^{A}\text{Y} + e^{+} \]
Протон се трансформише у неутрон и позитрон (\( p^{+} \rightarrow n + e^{+} \)). Масени број остаје исти, а редни број се смањује за 1. При овом распаду емитује се и неутрино.
Гама (\( \gamma \)) емисија:
\[ _{Z}^{A}\text{X}^* \rightarrow _{Z}^{A}\text{X} + \gamma \]
Језгро прелази из побуђеног стања са вишком енергије у основно стање. Масени и редни број остају непромењени.
Период полураспада (\( T_{1/2} \)) је време за које се распадне половина од почетног броја радиоактивних језгара посматраног елемента.
Број радиоактивних језгара не опада линеарно! Након протека времена \( 2 T_{1/2} \) остаје \( \frac{1}{4} \) (25%) почетног броја језгара, а не нула.
Познавање периода полураспада (нпр. угљеника \( ^{14}_{6}\text{C} \)) омогућава прецизно одређивање старости археолошких налаза, фосила и стена.
Нуклеарна реакција је процес у коме се атомско језгро бомбардује убрзаним честицама (пројектилима), при чему се језгро трансформише уз емисију једне или више честица.
Прве вештачке радиоактивне елементе произвели су Ирена и Фредерик Жолио-Кири.
Најпогоднија честица за изазивање нуклеарних реакција је неутрон јер нема наелектрисање, па несметано продире у језгро без одбијања кулоновским силама.
Нуклеарна фисија: Процес цепања тешког атомског језгра на два лакша језгра приближно једнаких маса, уз емисију неколико неутрона и ослобађање велике количине енергије.
- Ланчана реакција: Ослобођени неутрони погађају суседна фисибилна језгра (нпр. \( ^{235}\text{U} \)) и изазивају њихово даље цепање.
- Нуклеарни реактори: Постројења у којима се одвија контролисана ланчана фисија ради производње топлотне и електричне енергије.
Нуклеарна фузија: Процес спајања два лакша атомска језгра (нпр. изотопа водоника) у једно теже језгро, при чему се ослобађа још већа количина енергије по јединици масе него код фисије.
- Природно се одвија у унутрашњости звезда (као што је Сунце).
- За одвијање фузије на Земљи потребне су екстремно високе температуре (десетине милиона степени), што представља главну технолошку препреку за њену масовну енергетску примену.
Нуклеарна енергија и зрачење имају широку примену у различитим областима:
- Енергетика: Производња електричне енергије у нуклеарним електранама.
- Медицина: Дијагностика (радиоизотопско снимање) и терапија малигних обољења (зрачење).
- Археологија и геологија: Одређивање старости узорака методом радиоактивног угљеника \( ^{14}_{6}\text{C} \).
- Пољопривреда: Стерилизација и сузбијање биљних штеточина, продужење трајности намирница.
- Саобраћај и војна технологија: Погон нуклеарних подморница и ледоломаца, производња нуклеарног наоружања.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак):
Које се радиоактивно зрачење састоји од електромагнетних таласа и не скреће у електричном пољу?
У питању су гама (\( \gamma \)) зраци. Они представљају електромагнетно зрачење високе енергије и немају наелектрисање, због чега на њих електрично поље не делује.
Задатак 2 (средњи):
Језгро полонијума \( _{84}^{210}\text{Po} \) емитује једну алфа честицу. Одредити редни и масени број новонасталог језгра и написати једначину распада.
При алфа распаду масени број се смањује за 4, а редни за 2:
Масени број: \( A = 210 - 4 = 206 \)
Редни број: \( Z = 84 - 2 = 82 \) (хемијски елемент олово, \( \text{Pb} \)).
Једначина распада: \[ _{84}^{210}\text{Po} \rightarrow _{82}^{206}\text{Pb} + _{2}^{4}\alpha \]
Масени број: \( A = 210 - 4 = 206 \)
Редни број: \( Z = 84 - 2 = 82 \) (хемијски елемент олово, \( \text{Pb} \)).
Једначина распада: \[ _{84}^{210}\text{Po} \rightarrow _{82}^{206}\text{Pb} + _{2}^{4}\alpha \]
Задатак 3 (средњи):
Узорак садржи \( 80\text{ g} \) радиоактивног изотопа чији је период полураспада \( T_{1/2} = 8\text{ дана} \). Колика маса овог изотопа ће остати нераспаднута након 24 дана?
Укупан број периода полураспада је:
\[ n = \frac{t}{T_{1/2}} = \frac{24\text{ дана}}{8\text{ дана}} = 3 \]
Након сваког периода маса се преполови:
- Након 8 дана (1 период): \( 80\text{ g} : 2 = 40\text{ g} \)
- Након 16 дана (2 периода): \( 40\text{ g} : 2 = 20\text{ g} \)
- Након 24 дана (3 периода): \( 20\text{ g} : 2 = 10\text{ g} \)
Одговор: Остаће \( 10\text{ g} \) нераспаднутог изотопа.
- Након 8 дана (1 период): \( 80\text{ g} : 2 = 40\text{ g} \)
- Након 16 дана (2 периода): \( 40\text{ g} : 2 = 20\text{ g} \)
- Након 24 дана (3 периода): \( 20\text{ g} : 2 = 10\text{ g} \)
Одговор: Остаће \( 10\text{ g} \) нераспаднутог изотопа.
Задатак 4 (тежак):
Језгро угљеника \( _{6}^{14}\text{C} \) доживљава бета минус (\( \beta^{-} \)) распад. Одредити које језгро настаје том реакцијом и објаснити шта се десило унутар језгра са становишта нуклеона.
Током \( \beta^{-} \) распада један неутрон се претвара у протон уз емисију електрона:
\[ n \rightarrow p^{+} + e^{-} \]
Због тога масени број остаје исти (\( A = 14 \)), а редни број се повећава за 1 (\( Z = 6 + 1 = 7 \), што одговара азоту \( \text{N} \)).
Једначина распада: \[ _{6}^{14}\text{C} \rightarrow _{7}^{14}\text{N} + e^{-} \] Одговор: Настаје језгро азота \( _{7}^{14}\text{N} \).
Једначина распада: \[ _{6}^{14}\text{C} \rightarrow _{7}^{14}\text{N} + e^{-} \] Одговор: Настаје језгро азота \( _{7}^{14}\text{N} \).
