Nuklearna fizika: Građa jezgre, reakcije i radioaktivnost

Građa jezgre atoma i nukleona

Građa jezgre atoma – jezgra se sastoji od protona i neutrona (zajednički naziv: nukleoni). Nukleone na okupu drži jaka nuklearna sila.

Građa nukleona – nukleoni su građeni od kvarkova (elementarnih čestica):

• Z – atomski broj: broj protona u jezgri (električni naboj protona iznosi e = 1,6 × 10^-19 C)
• N – broj neutrona u jezgri (nemaju električni naboj)
• A – maseni broj: ukupni broj nukleona u jezgri (A = Z + N)
• Simbol jezgre atoma – označava se u obliku ^A_ZX

Svojstva jezgri i defekt mase

• Izotopi – atomi istog elementa (istog atomskog broja Z) koji imaju različit broj neutrona N (i time različitu masu) u jezgri (npr. obični vodik i deuterij).
• Defekt mase – zbroj masa slobodnih nukleona koji sačinjavaju jezgru veći je od mase same jezgre. Prilikom spajanja nukleona u jezgru dio njihove mase oslobađa se u obliku energije.
• Srednja nukleonska masa – za sve jezgre (osim za jezgru običnog vodika ¹H) manja je od mase pojedinačnih slobodnih nukleona. Što je srednja nukleonska masa manja, to je jezgra stabilnija.

Nuklearne reakcije i nuklearna energija

Nuklearna reakcija – svaki proces u kojem dolazi do promjene strukture ili energetskog stanja jezgre:

a + X → Y + b

• a – čestica projektil
• X – jezgra meta
• Y – novonastala jezgra
• b – novonastala čestica

Ukupni naboj i broj nukleona prije i poslije reakcije moraju biti očuvani (isti).

Energetska vrijednost reakcije (Q):

Q = (m_a + m_X - m_Y - m_b) · c²

• Za Q > 0 energija se pri reakciji oslobađa (egzotermna reakcija).
• Za Q < 0 energiju moramo uložiti kako bi se reakcija odvila (endotermna reakcija).

Fisija – nuklearni proces u kojem bombardiramo tešku jezgru, pri čemu nastaju dvije lakše jezgre.

Fuzija – nuklearni proces u kojem se dvije lakše jezgre spajaju u jednu težu jezgru.

Radioaktivnost i zračenje

Radioaktivnost – spontani nuklearni procesi koji se događaju zbog nestabilnosti jezgri (jezgre ovim procesima prelaze u stabilnije stanje).

Komponente zračenja i tipovi raspada

• Alfa raspad (α-zrake) – to su jezgre helija (⁴He). Radioaktivna jezgra emitira α-česticu te nastaje nova jezgra s dva protona i dva neutrona manje u odnosu na početnu jezgru.
• Beta raspad (β-zrake) – to su brzi elektroni i pozitroni. U jezgri se mijenja sastav tako da se jedan proton pretvori u neutron ili neutron u proton.
• Gama raspad (γ-zrake) – to su visokoenergetski fotoni. Ako je jezgra u pobuđenom stanju, prilikom prijelaza u osnovno stanje emitira foton (γ-česticu). Energija fotona emitiranih iz jezgre atoma oko 10⁶ puta je veća od energije fotona svjetlosti emitiranih iz elektronskog omotača.

Zakon radioaktivnog raspada

Zakon radioaktivnog raspada opisuje smanjenje broja neraspadnutih jezgri tijekom vremena. Vrijeme potrebno da se početni broj neraspadnutih jezgri smanji na polovicu označavamo s T_1/2 i nazivamo ga vrijeme poluraspada (karakteristično je za svaku pojedinu radioaktivnu tvar).