MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY
• SZIE Gödöllő • Fizika és Folyamatirányítási tanszék •
[email protected]
KLASSZIKUS FIZIKA G. Galileitől (1564-1642) •
MECHANIKA • • • •
•
TÖMEGPONT PONTRENDSZEREK MEREV TEST KONTINUMOK (HIDRODINAMIKA) GEOMETRIAI FIZIKAI (HULLÁM)
TERMODINAMIKA (HŐTAN) • •
•
Simonyi
OPTIKA (FÉNYTAN) • •
•
M. Planckig (1858-1947)
FENOMENOLOGIKUS (STATISZTIKUS)
ELEKTRODINAMIKA (VILLAMOSSÁGTAN) • • •
ELEKTROSZTATIKA MAGNETOSZTATIKA ELEKTRODINAMIKA
(MAXWELL)
ME
gyg
MODERN FIZIKA (1900 -) Titanic
• • • • • •
RELATIVITÁS ELMÉLET KVANTUMFIZIKA ATOMFIZIKA ATOMMAGFIZIKA SZILÁRDTEST FIZIKA KOZMOLÓGIA
Titanic n
RELATIVITÁS ELMÉLET SPECIÁLIS MICHELSON-MORLEY KÍSÉRLET (ÉTER) eszköz Albert EINSTEIN (1905!) time LORENTZ (LORENTZ TRANSZFORMÁCIÓK) POINCARE MINKOWSKI (NÉGYDIMENZIÓS TÉR) képletek ÁLTALÁNOS (GRAVITÁCIÓELMÉLET) EINSTEIN (EÖTVÖS LORÁND)
PARADIGMAVÁLTÁS F = dI klasszikus modern dt ERŐ TÉR – IDŐ (koordináta rendszertől függő) TÖMEG (tehetetlen, súlyos) ANYAG –ENERGIA ( E=mc2 )
Arpi
Sándor
KVANTUMFIZIKA FEKETE TEST SUGÁRZÁS ABSZOLÚT FEKETE TEST MINDEN RÁESŐ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁST ELNYEL E =hf ENERGIA ADAGOKBAN TÖRTÉNIK AZ ENERGIA CSERE (h---PLANCK ÁLLANDÓ 6.62 10-34 Js --- HATÁSKVANTUM RJ-Wien
FÉNYKVANTUM (EINSTEIN) FOTOEFFEKTUS (FÉNYELEKTROMOS HATÁS) Ekin=hf-Wki 1/2 me v2 e =hf-Wki (1 eV=1,6 10-19 J)
( E=hν )
FOTON:
E=hf I=h/λ
• SPEKTRUM – VONALAS SZÍNKÉP MAGYARÁZATA (színkép) (BALMER)
• ATOM – – – – –
AZ ANYAG DISZKRÉT SZERKEZETE (MOLEKULA, ATOM) PERIÓDUSOS RENDSZER ELEMI TÖLTÉS (MILLIKEN) RUTHERFORD KÍSÉRLET ATOMMODELLEK (THOMSON, RUTHERFORD, BOHR, SOMMERFELD) – BOHR-SOMMERFELD MODELL » 4 KVANTUMSZÁM (FŐ, MELLÉK, MÁGNESES, SPIN) » PAULI ELV
• ANYAGHULLÁMOK • LOUIS DE BROGLIE • λ=h/mv • HULLÁM – RÉSZECSKE (KORPUSZKULA) KETTŐSSÉG • A KÖRÜLMÉNYEKTŐL FÜGG, HOGY AZ ANYAG MELYIK TERMÉSZETE KERÜL ELŐTÉRBE (Fény terjedés vákumban---interferencia)
• HULLÁMMECHANIKA • SCHRÖDINGER egyenlet
• ∆Ψ Ψ+8π2m/h2(E-V) Ψ=0
(stacioner)
∆Ψ Ψ=∂2Ψ/ ∂x2+ ∂2Ψ/ ∂y2+ ∂2Ψ/ ∂z2 a Laplace operátor Ψ(x,y,z) hullámfüggvény Koppenhágai iskola---megtalálási valószínűség
• MÁTRIXMECHANIKA • (HATÁROZATLANSÁGI RELÁCIÓ (pl. ∆x ∆px≥ h =h/2π) • HEISENBERG
– Neumann János • Hilbert térben , hermitikus operátorok
P =
∫ V
Ψ
2
dV
ATOMMAGFIZIKA A Z
X
Z--- RENDSZÁM (PROTON) A---TÖMEGSZÁM (PROTON + NEUTRON)
IZOTÓP (azonos protonszám)
TERMÉSZETES MESTERSÉGES STABIL RADIOAKTÍV
RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS •α •β •γ
He atommagok (+) elektronok β- , (pozitronok β+) elektromágneses sugárzás » (E– MeV)
RADIOAKTÍV BOMLÁSTÖRVÉNY Aktivitás
A=dN(t)/dt [A]=Bq
(becquerel)
» 1 Bq= 1 bomlás/másodperc » Nem SI egység Ci (Curie) » 1 Ci = 3,7 1010 Bq
dN(t)/dt = - λ N(t) λ --- bomlási állandó [λ] = 1/s
N(t)=N0
λ t e
Radioaktív bomlástörvény
T T=
FELEZÉSI IDŐ ln 2
λ
Tfizikai
=
0,693
λ Tbiológiai
1 1 1 = + Teff T fiz Tbiol
Teffektív
MAGREAKCIÓK
9 4
Be+ He→ C + n + γ 4 2
9+4=12+1 4+2=6+0
12 6
9 4
1 0
⇓
Be(α , n) C
RENDSZÁMOK ÖSSZEGE (TÖLTÉS) TÖMEGSZÁMOK ÖSSZEGE
HIDROGÉN
1 1
H
2 1
H= D
3 1
H= T
2 1
3 1
.
DEUTÉRIUM TRÍCIUM
12 6
〉
ÁLLANDÓ 4 2
He → α
1 0 1 1
0 −1
n __ neutron
p ___ proton
e ___ elektron
Radiokarbon kormeghatározás: A légkörben folyamatosan keletkezik C-14 a kozmikus sugárzás miatt, és kb. 500 év alatt a földi szénciklus részévé válik, bekerül az élővilágba.
14 7
N ( n, p) C 14 6
A 14C felvétel és bomlás miatt a természetes fajlagos aktivitás állandósul: 15,3 bomlás perc-1g-1, Felezési idő: 5668 év
AZ ATOMMAG KÖTÉSI ENERGIÁJA (SZÉTSZEDJÜK AZ ATOMMAGOT ALKOTÓRÉSZEIRE)
TÖMEGDEFEKTUS:
E = ∆M · c2
∆M=(Zmp+(A-Z)mn)-M
Einstein
1 u= 1 ATE= 931 MeV Atomi tömegegység ( C-12 atommag 12–ed része) FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA:
AZ EGY NUKLEONRA ESŐ KÖTÉSI ENERGIA
FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA FÜGGÉSE A TÖMEGSZÁMTÓL
FÚZIÓ KÖNYYŰ MAGOK EGYESÍTÉSE
MAGHASADÁS NEHÉZ MAGOK HASADÁSA, HASÍTÁSA
MAGHASADÁS:
U + n→ Ba+ Kr +2 n
235 92 ATOMERŐMŰ:
1 0
143 56
90 36
1 0
HŐERŐMŰ, MELY A MAGHASADÁSSAL KELETKEZETT HŐT ALAKÍTJA ÁT ELEKTROMOS ENERGIÁVÁ
LÁNCREAKCIÓ:
TERMÉSZETES URÁN:
238 92
U → 99 , 28 % → U − 238
235 92
U → 0 , 718 % → U − 235
U-235 HASADÁSNÁL ÁTLAGOSAN 2,47 DB. NEUTRON KELETKEZIK EGY MAG HASADÁSAKOR KB. 200 MeV ENERIA SZABADUL FEL
ATOMBOMBA:
HASADÁSI MANHATTAN PROJEKT HIROSIMA (URÁN), NAGASAKI (PLUTÓNIUM)
TISZTA U-235, SZILÁRD LEO
KRITIKUS TÖMEG WIGNER JENŐ
TELLER EDE
HIDROGÉN-BOMBA: HASADÁSI BOMBÁVAL INDÍTOTT FÚZIÓS BOMBA LÉTEZIK-E SZABÁLYOZOTT MAGHASDÁS ÉS FÚZIÓ?
U-235 HASADÁS:
LASSÚ NEUTRONOK JOBBAN HASÍTANAK GYORS NEUTRONOK KELETKEZNEK
MODERÁTOR (KIS TÖMEGSZÁMÚ) (D2O, GRAFIT, H2O) PAKSI REAKTOR: VVER-440 VÍZ-VIZES-ENERGETIKAI-REAKTOR A MODERÁTOR ÉS HŰTŐKÖZEG IS VÍZ (H2O) Természetben működő önszabályzó reaktor (GABON, OKLO)
NYOMOTT VIZES (PWR) REAKTOR
Primer kör technológiai berendezései Fűtőelem (tabletták —cső — kazetták) Urán-oxid (U-235 dúsítás∼ ∼3,3%) 42 t fémuránra átszámítva Nukleáris robbanás fizikailag kizárva (nincs moderátor→megszűnik a láncreakció)
Tartály — hengeres edény —magasság 11,8 m átmérő 3,84 m falvastagság 14 cm
Szivattyú —6 db —7000 m3/h Gőzfejlesztő —6 db
Szabályozás: • primerkörbe—bór(sav) • Szabályozórudakkal
3-szoros biztonságvédelmi filozófia
Paksi Atomerőmű VVER-440
reaktor
– Víz-víz energetikai reaktor—440 MW elektromos
• Kétkörös—
primer→radioaktív szekunderkör→normál hőerőmű turbinával
• nyomottvizes—a primerkör nagynyomású (125bar) • • • • •
(nem forr a víz) heterogén—a fűtőanyag nem homogén módon van benne elhelyezve Moderátor Hűtőközeg H2O Üzemanyag —enyhén dúsított urán (UO2≈2,5% U-235) szabályozás→bórsavval (primerköri vízbe keverve ) szabályozó rudakkal
Biztonsági berendezések Általános elv→3-szoros biztosítás Fő feladat: 1.) A reaktor ne legyen szuperkritikus A.) bórsav B.) szabályozórudak 2.) A zónát hűteni kell 6 hűtőkör Áramkimaradás( →akkumulátor) →Dieselgenerátor Csőtörés fecskendő rendszerek (3x) lokalizációs torony (→gőzlecsapó) A Primerkör hermetikus boxban van
Moderátor nélkül nincs láncreakció Kis szemtanú amish
Sugárzás • Dózisfogalmak: – Aktivitás
1Bq = 1 bomlás/s (Becquerel) (1Ci=3,7*1010Bq)
1 R (Röntgen) 1 cm3 levegőben: 1 elektrosztatikus egységnyi (3,3*10-10C) töltést ionizál emberi testben: 1 R→ 1 g-ban 9,31*10-6 J
•Elnyelt dózis: 1 Gy = 1 J/kg (Gray)
(1 rad=0,01 Gy)
•Biológiai dózis: 1 Sv
(Sievert)
D(Sv) = RBE· D(Gy)
( 1 rem=0,01 Sv)
LD50/30→Félhalálos dózis
≈ 5 Sv (energiában egy kávéskanál meleg kávé)
A természetes sugárzási háttér Kozmikus sugárzás
0,3 mSv/év
Földkéreg
238U, 232Th, 40K
0,4 mSv/év
Levegő
222Rn
0,7 mSv/év
Víz, táplálék
14C, 40K, 210Pb
0,35 mSv/év
1,75 mSv/év
Összesen: Klinikai tünet:
1000 mSv
Panaszt nem okozó:
250 mSv
Röntgenvizsgálat::
0,5 – 4 mSv
Csernobil:
0,5 – 1 mSv
Sugárzásdetektorok • 1. Magfizikai emulzió • 2. Gázionizációs detektorok
(filmdoziméter)
+
Fémszál
töltőgáz
≈1000 V
fémburok
→Egy ion ionlavinát kelt ⇒Geiger-Müller (GM) cső 3. Wilson kamra
• Szcintillációs detektorok Anód
Szcintillátor
NaI
Fotokatód
Gázionizációs detektorok
A M K
R
S
-
+ T
Működési elv A anódszál, K katódhenger, T feszültségforrás, R munkaellenállás, M mérőműszer, S szigetelés.
• Johann Jacob Balmer (1825-1898) – a H-atom színképvonalainak összefüggése (1885) 1/λ = R(1/22 - 1/n2), n = 3, 4, 5, ...
Sugárzó izotóp sugárzásának mérése a sugárzás ionizáló hatásán alapul (Geiger-Müller számláló)
Ar töltőgáz alkohol-gőz -1000 V
Szcintillációs detektorok
Elvi felépítés
Szcintillációs számlálóberendezés
• Wilhelm Konrad Röntgen (18451923) – az UV-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás és tulajdonságai (1895) – az első Nobel-díj (1901)
Galileo Galilei (1564 -1642.) olasz természettudós.
Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858.–1947..) Nobeldíjas német fizikus
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887. – 1961. ) Nobel-díjas osztrák fizikus
Werner Karl Heisenberg (1901. – 1976.) Nobel-díjas német fizikus,
Albert Einstein (1879.–, 1955. ) elméleti fizikus,
Mileva Marić és Albert Einstein
James Clerk Maxwell (1831.–1879. ) skót matematikus-fizikus.
MAXWELL EGYENLETEK differenciális Gauss-törvény
I.
Faraday-Lenztörvény
II.
Gauss mágneses törvénye
III.
Ampère-törvény
IV .
integrális
SZÍNKÉPELEMZÉS
Fekete test hőmérsékleti sugárzás
FOTOEFFEKTUS ELEKTROMÁGNESES HULLÁMMAL (FÉNNYEL) MEGVILÁGÍTOTT FÉMLEMEZBŐL ELEKTRONOK LÉPNEK KI
Foton hf energiával
fémlemez e
• Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947)
– Wien
uν = αν e 3
W
−
Planck
βν T
uν =
Aν βν
Rayleigh-Jeans 3
e T −1
8π 2 uν = 3 ν kT c
Leonardo da Vinci: Szent Anna harmadmagával
Johann Sebastian Bach: Magnificat
Pablo Picasso: Guernica
Bartók Béla: Allegro Barbaro
