Mgr. Jan Ptáčník
Atomová a jaderná fyzika
Fyzika - kvarta Gymnázium J. V. Jirsíka
Atom - historie
❖
Starověk - Démokritos
❖
19. století - první důkazy
❖
Konec 19. stol. - objev elektronu
❖
Vznik modelů atomu
Thomsonův model
❖
Pudinkový model
❖
Kladná hmota
❖
Záporné elektrony
Rutherfordův model ❖
Planetární model
❖
Vyvrátil Thomsonův model
❖
Kladné malé jádro velké hmotnosti
❖
Elektrony obíhající kolem
Bohrův model ❖
Odstranil problémy Rutherfordova modelu (animace)
❖
Použití kvantové teorie (Max Planck)
❖
❖
Kvantování energie
❖
Foton
Přesně dané trajektorie elektronů ❖
Vrstvy - slupky
❖
Přeskoky - uvolnění energie
Kvantově mechanický model
❖
Současné pojetí
❖
Kvantová čísla
❖
Orbitaly
❖
Spin
Jádro atomu ❖
Velikost proti atomu zanedbatelná
❖
Složení: protony a neutrony
❖
❖
souhrnně: nukleony
❖
protonové číslo Z
❖
nukleonové číslo A
Neutrální atom - počet protonů a elektronů je stejný
Jádro atomu ❖
Nuklid = látka se stejným Z i A
❖
Izotop = stejné A, různé Z
Jádro atomu ❖
Srovnání částic částice
elektrický náboj
hmotnost
hmotnost oproti elektronu
proton
+e
1,007 277·u
1 835
neutron
0
1,008 665·u
1 838
elektron
-e
0,000 548·u
1
e - elementární náboj 0,000 000 000 000 000 000 160 2 C (1,602·10-19 C) u - atomová hmotnostní jednotka u = 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg (1,67·10-27 kg)
Jádro atomu
Kdyby bylo atomové jádro velké jako pingpongový míček uprostřed Václavského náměstí, jeho elektronový obal by se koupal ve Vltavě.
Jaderné síly ❖
Drží protony a neutrony pohromadě
❖
Přitažlivé (na krátkou vzdálenost odpudivé)
❖
Krátký dosah
❖
Výběrové - jen na nukleony
❖
Největší přírodní jádro - Uran
❖
Hmotnostní schodek
E = mc
2
Radioaktivita
❖
samovolná přeměna nestabilních atomových jader
❖
uvolnění energie - ionizující záření
Záření alfa Svazek rychle letících jader
4 helia 2He
(helionů)
Snadno stínitelné (list papíru) Reaguje na elektrické i magnetické pole Nebezpečí při vdechnutí 226 88
Ra →
222 86
Rn + α 4 2
Záření beta Svazek rychle letících elektronů eStínitelné ( plech ) Reaguje na elektrické i magnetické pole Nebezpečí při dlouhodobém vystavení 234 91 1 0
Pa →
234 92
U+ e
n → 11 p + −10 e
0 −1
Záření gama Svazek rychle letících fotonů ( záření s λ < 300 pm ) Těžko stínitelné (silná vrstva olova) Nereaguje na elektrické ani magnetické pole Nebezpečné
Neutronové záření Svazek rychle letících neutronů Stínitelné lehkými prvky Nereaguje na elektrické ani magnetické pole uměle vyvolané
Radioaktivita ❖
Poločas rozpadu
❖
Dávkový ekvivalent ❖
jednotka Sievert (Sv)
❖
limit 1 mSv/rok
❖
smrt: 1 Sv
❖
Černobyl: 7 Sv
Srovnání rizik • Ozáření 1 mSv • Vykouření 30 cigaret • Ujetí 5000 km autem v běžném provozu
Riziko je stejné!!!
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita Spad z testů jaderných zbraní medicína
0,30%
jiné (z toho výpusti z jaderných Instalací činí 0,04 %)
0,13%
11% radon v domech (průměr)
Kosmické záření
49%
14%
Záření z půdy a hornin
17%
Přírodní radionuklidy v lidském těle
9%
Přirozená radioaktivita Přírodní zdroje: 1. Kosmické záření - ze Slunce a z hlubin vesmíru. Některé složky vznikají v atmosféře Země srážkami s primárním kosmickým zářením. Dávka od kosmického záření roste s nadmořskou výškou. 2. Rozpadem radia v zemské kůře vzniká radioaktivní plyn radon, který z podloží proniká do domů nebo do pitné vody. Radon je zářičem alfa, záření tedy není nebezpečné pro povrch našeho těla. Nebezpečné je vdechování tohoto plynu, neboť dceřiné produkty vzniklé přeměnou radonu se mohou usadit v plicích a způsobit tak ozáření nechráněné plicní tkáně. 3. Zemská kůra obsahuje přírodní radioaktivní prvky, nejčastěji uran, thorium, radium. 4. Významným přírodním radioizotopem je izotop draslíku 40K. Obsahují ho takřka všechny potraviny i naše vlastní tělo. Přírodní radionuklidy obsahuje i vzduch a voda. Umělé zdroje: 5.Televizní nebo počítačové obrazovky, svítící ciferníky hodinek a přístrojů, průmyslové zářiče používané v defektoskopii, ke sterilizaci nebo ve výzkumu. 6. Z umělých zdrojů záření představují největší podíl lékařské aplikace - použití záření a radionuklidů při vyšetření nebo při léčení např. rakoviny. 7. Jaderné elektrárny, výrobny paliva, přepracovací závody a úložiště jaderného odpadu přispívají k celkovému průměrnému ozáření asi setinou procenta.
Přirozená radioaktivita Čechy Irán (Ramsar) Indie (Kerala) Brazílie (Guarapari)
-
cca 3 mSv/rok až 400 mSv/rok až 17 mSv/rok až 175 mSv/rok
Přirozená radioaktivita Přírodní pozadí 175 mSv/rok – Guaraparí, Brazílie
Přirozená radioaktivita Přírodní pozadí 400 mSv/rok – Ramsar, Irán
Pomeranč – 4 mikroSv/h U obyvatele doma – 121 mikroSv/h (v ČR je cca 0,2 mikroSv/h)
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita Spaní vedle druhé osoby
0,05 mikro Sv
Bydlení jeden rok 75 km od jaderné elektrárny
0,09 mikro Sv
Snědení jednoho banánu
0,1 mikro Sv
Bydlení jeden rok 75 km od uhelné elektrárny
0,3 mikro Sv
Rentgen ruky
1 mikro Sv
Roční používání starého monitoru (CRT)
1 mikro Sv
Rentgen zubu
5 mikro Sv
Průměrná denní dávka z přírodního pozadí
10 mikro Sv
Rentgen hrudníku
20 mikro Sv
Let z NY do LA
40 mikro Sv
Bydlení jeden rok v domě z kamene nebo betonu
70 mikro Sv
Celková střední dávka od havárie Three Mile Island pro obyvatele bydlícího15 km od elektrárny
80 mikro Sv
Roční dávka od draslíku (biogenní prvek obsahující izotop 40K) obsaženého v lidském těle Povolený roční limit pro ozáření jednotlivce z veřejnosti nad dávku z přírodního pozadí
390 mikro Sv 1 000 mikro Sv = 1 mSv
Přirozená radioaktivita
Přirozená radioaktivita 10 µSv/h
5 µSv/h
1 µSv/h
0,1 µSv/h
0,03 µSv/h
Ochrana před radioaktivitou Zkoušky jaderných zbraní Uložení radioaktivních odpadů Jaderné havárie: Černobyl ( 1986 / INES 7 ) Fukušima ( 2011 / INES 7 ) Three Mile Island ( 1979 / INES 6 )
Ochrana před radioaktivitou Detekce - dozimetry Dostatečná vzdálenost Čas Stínění
Využití radioaktivity ❖
Radiouhlíková metoda v archeologii
❖
Defektoskopie v průmyslu
❖
Sterilizace a konzervace v potravinářství
❖
Požární hlásiče
❖
Diagnostika v medicíně
❖
Ozařování v medicíně
Jaderné reakce ❖
Uměle vyvolaná změna jádra atomu
❖
Transmutace - přeměna na "blízký" prvek
Jaderné reakce
❖
Vyvolání: helion, elektron, foton, neutron, proton
❖
Dva typy: ❖
Jaderné štěpení
❖
Jaderná fúze
Jaderné štěpení ❖
Rozbití velkého jádra prvku na dvě menší jádra (odštěpky) jiných prvků
❖
Uvolnění energie
Řetězová reakce ❖
Jen konkrétní izotopy
❖
Štěpení pomalým uranem
Řetězová reakce ❖
Neregulovaná - atomové bomby
❖
Obohacení kolem 80%
❖
Je třeba nadkritické množství
❖
1. použití: projekt Manhattan 1945
Řetězová reakce ❖
Regulovaná - reaktory
❖
Regulace - bor a oxid boritý
❖
Zpomalování moderátorem
❖
Obohacení kolem 5%
❖
První reaktor 1942 Chicago
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna ❖
ČR: Temelín (2.110 MW) a Dukovany (2.040 MW)
❖
Virtuální prohlídka JETE zde
❖
Podíl: 20,4%
❖
Problém - použité palivo
Jaderný reaktor
❖
Budova reaktoru - kontejnment (1,2 m)
❖
Reaktor 11 m vysoký a 4,5 m průměr
❖
Tlak 15,7 MPa, teplota 320°C
❖
Aktivní zóna: 3 m vysoká a 3 m průměr
Jaderný reaktor
❖
Palivo: uran 235 ❖
163 palivových souborů a 61 klastrů
❖
každý palivový soubor 312 proutků
❖
Celková vsázka 92 tun
Jaderný reaktor
Termojaderná fúze ❖
Slučování lehkých prvků
❖
Uvolnění velkého množství energie
❖
Slunce
❖
Problémy: dostat jádra k sobě ❖
Vysoká teplota
Termojaderná fúze ❖
Termonukleární bomba
❖
Tokamak
