Referat Fizica nucleara

Incarcat la data: 27 Martie 2006

Autor: maria cantemir

Pret: 50 credite

Cuprins 1. Nucleului atomic Constituentii nucleului atomic Masa nucleului Energia de legatura Defect de masa 2. Forte nucleare si modele nucleare Modelul picaturii Modelul paturilor nucleare 3. Reactii nucleare Fuziunea nucleara Fuziune 4. Dezintegrarea radioactiva Dezintegrarea alfa Dezintegrarea gama Legea dezintegrarii radioactive 1. Nucleului atomic In urma experimentelor s-a stabilit ca masa atomului si toata sarcina pozitiva este concentrata intr-un volum mic in centrul atomului, zona numita nucleu atomic. In jurul nucleului graviteaza un numar de electroni care compenseaza sarcina pozitiva a nucleului. La sfarsitul secolului trecut a fost descoperita radioactivitatea. Emisia din atomi a unor particule incarcate si neutre din punct de vedere electric, cum ar fi radiatiile: alfa, beta, gama, s-a constat ca ar fi emise din nucleu. Acest lucru a dus la concluzia ca nucleul ar avea si el o structura. Dupa descoperirea neutronului de catre Chadwick in 1932, Heisenberg si Ivanenko au elaborat in 1933 modelul protono-neutronic al nucleului. Conform acestui model, nucleul este alcatuit din protoni si neutroni. Un nucleu este format din Z protoni si A-Z neutroni. Acest model este in concordanta cu rezultatele experimentale referitoare la sarcina, masa si spinul nuclear. In functie de numarul de protoni si neutroni nucleele au fost impartite in: Izobari au aceeasi greutate, acelasi A: Izotopi au acelasi numar de ordine, acelasi Z: Izotoni acelasi numar de neutroni, acelasi A-Z: Izomeri acelasi Z, acelasi A, dar au timpul de viata diferit, ceea ce inseamna ca izomerii constituie acelasi mediu in diverse stari de excitare. Trecerea dintr-o stare in alta se face prin emisia unui foton de la unul la altul. Nuclee oglinda perechi de izobari in care numarul de protoni dintr-un nucleu este egal cu numarul de neutroni din celalalt nucleu: . Sarcina nucleului atomic reprezinta numarul de protoni din nucleu: . Determinarea sarcinii nucleului inseamna determinarea numarului de ordine Z. Constituientii nucleului atomic In compozitia nucleului intra Z protoni. -masa protonului: mp=(1,0072764700,00000011)u deci masa protonului este aproape egala cu 1u -masa neutronului: mn=(1,0086650,000003)u aproximativ 1u nucleul este format din Z protoni si (A-Z) neutroni -numarul de masa A este egal cu numarul de protoni si de neutroni din nucleu si indica aproximativ masa sa -nucleonii sunt constituentii nucleului. Masa nucleului Masa nucleului se poate scrie ca suma maselor nucleonilor componenti si se exprima in unitati de masa.1u=m(12C)/12. Unitatea de masa are valoarea u=1,66 10-27Kg. Comparand valorile experimentale ale maselor cu cele rezultate din formula s-a constatat ca masa determinata experimental este mai mica decat cea determinata teoretic. unde este numit defect de masa. s-a interpretat ca fiind corespunzator unui defect de energie pe baza relatiei lui Einstein: Un nucleu constituie un sistem legat de particule si pentru a scoate o particula din acest sistem este necesar sa furnizam nucleului o anumita cantitate de energie egala cu energia cu energia de legatura a particulei in nucleu. Acest defect de energie s-a interpretat ca fiind energia pe care o elibereaza nucleele la formarea lui din nucleoni liberi si care este strict egala cu energia pe care trebuie sa o furnizam nucleului pentru al desface in nucleonii componenti, aceasta energie este energia de legatura a nucleului. Daca energia de legatura este mare, nucleul este mai stabil, diferenta dintre suma maselor nucleonilor componenti si masa nucleului este mai mica. Stabilitatea nucleelor reprezinta energia de legatura raportata la numarul de nucleoni din nucleu . Cum nu toti nucleonii au aceeasi energie de legatura se vorbeste despre valoarea medie a energiei de legatura pronucleara Fig. 1. Variatia stabilitatii nucleului in functie de numarul de masa Maximul se realizeaza in jurul lui A=60 cu =8.6 MeV. Nucleele de la mijlocul sistemului periodic se caracterizeaza prin stabilitate mare, iar cele usoare si mai grele au stabilitatea mai mica. Raportul dintre numarul de protoni si numarul de neutroni din nucleu este o masura a stabilitatii nucleului. Daca reprezentam grafic pozitia nucleelor intr-un sistem de coordonate Z si N=(A-Z) se constata urmatoarele: Fig.2.DiagramaSegr. a) surplus de protoni, b) surplus de neutroni c)curba de stabilitate, Z=N. Pentru nucleele usoare stabilitatea se realizeaza la Z/N = 1. Pe masura ce numarul de masa creste stabilitatea se deplaseaza spre nuclee cu numar de neutroni mai mare decat numarul de protoni. Deasupra acestei curbe de stabilitate se gasesc nuclee cu surplus de protoni fata de nucleele stabile. Sub aceasta curba se gasesc nucleele cu surplus de neutroni. Cum in natura orice sistem tinde de la sine sa treaca spre o stare cat mai stabila ,nucleele de deasupra curbei de stabilitate isi va transforma un proton in neutron, ceea ce inseamna ca ele sunt nuclee active(emisie de pozitroni), iar cele de sub curba de stabilitate isi vor transforma un neutron in proton fiind nuclee active(emisie de electroni). Raza nucleului atomic reprezinta distanta pana la care se fac simtite fortele nucleare specifice, acele forte care asigura stabilitatea unui nucleu format dintr-un numar mare de protoni intre care se exercita forte de repulsie coulombiana. Momente cinetice si momente magnetice ale nucleului. Existenta acestor momente a rezultat din despicarea liniilor de structura fina a spectrelor, numita structura hiperfina. Astfel spinul nuclear este: reprezinta momentul magnetic nuclear si magnetonul nuclear. Energia de lagatura pe nucleon Energia de legatura pe nucleoni: O valoare mare a energiei de legatura pe nucleon inseamna o stabilitate mare a nucleului. Nucleele de masa intermediare, cu A cuprins intre 40 si 140 au energia de legatura pe nucleon maxima 2. Forte nucleare si modele nucleare Bariera de potential. Nucleul format din protoni si neutroni este o formatie stabila, ceea ce da de nota ca intre nucleoni se exercita forte atractive foarte puternice, care, cel putin la distante mici, compenseaza si intrec fortele de repulsie electrostatice dintre protoni. Experientele de difuzie a particulelor au aratat ca distente inferioare lui 10 cm nu se mai aplica riguros legea lui Colomb, intrucat peste fortele de repulsie se suprapun fortele de atractie. Cu acelesi rezultate s-au soldat si experientele de difuzie a protonilor si neutronilor rapizi. La distante mici apar forte atractive chiar si intre protoni. Fortele atractive dintre nucleoni care asigura coeziunea nucleului se numesc forte nucleare. Ele sunt forte de bataie scurta, se anuleaza foarte repede cu distanta, spre deosebire de fortele coulombiene care se resimt inca la distante considerabile (forte de bataie lunga). In consecinta fortele de atractie nucleare vor actiona numai intre nucleonii vecini, iar fortele de repulsie electrostatice intre toti protonii din nucleu. In campul electrostatic al nucleului protonul poseda energia potentiala. Reprezentand in functie de distanta r, se capata o hiperbola echilaterala. Daca se tine cont si de fortele atractive, in apropierea nucleului energia potentiala totala nu va creste la infinit, ci numai pana la maxim, atins atunci cand fortele atractive echilibreaza pe cele repulsive. Fie R distanta la care acest lucru se realizeaza. La distantele rY+b unde a: particula sau nucleul proiectil care este de obicei accelerat pentru a produce reactia X:nucleul tinta Y:nucleul rezidual b:particula sau nucleul mai usor rezultat din reactie Notatia prescurtata: X(a,b)Y - o reactie nucleara se poate produce numai daca sunt indeplinite o serie de conditii Legi de conservare in interactiunile nucleare Legea conservarii energiei Energia sistemelor va fi energia totala relativista: W=mc2=m0c2+Ec Legea conservarii energiei totale relativiste: Wa+Wx=Wy+Wb Deci: Energia de reactie: Legea conservarii impulsului Legea conservarii sarcinii electrice Suma sarcinilor electrice ale particulelor inainte de reactie este egala cu suma sarcinilor electrice ale particulelor dupa reactie Legea conservarii numarului de nucleoni Legea dezintegrarii radioactive N(t) - numarul de sisteme in stare excitata la momentul t N0 - numarul de sisteme in stare excitata la momentul initial t=0 Viata medie a sistemului t = 1/P inversul probabilitatii de tranzitie in unitatea de timp Timpul de injumatatire T1/2 - timpul dupa care se dezintegreaza jumatate din numarul N0 de nuclee in stare metastabila Fuziune si fisiune nucleara Fuziunea nucleara a fost realizata pentru prima data prin anii 1930 prin bombardarea unei tinte conttinand deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni intr-un ciclotron. Pentru a ccelera raza de deuteroni este necesara folosirea unei imense cantitati de energie, marea majoritate transformandu-se in caldura. Din aceasta cauza fuziunea nu este o cale eficienta de a produce energie. In anii 1950 prima demonstratie la scara larga a eliberarii unei cantitati mari de energie in urma fiziunii, necontrolata a fost facuta cu ajutorul armelor termonucleare in SUA, URSS, Marea Britanie si Franta. Aceasta experienta a fost foarte scurta si nu aputut fi folosita la producerea de energie electrica. In cadrul fisiunii, neutronul, care nu are sarcina electrica poate interactiona usor cu nucleul, in cazul fuziunii, nucleele au amandoua sarcina pozitiva si in mod natural nu pot interactiona pentru ca se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie contacarat. Acest lucru se poate face cand temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane C. Intr-un gaz de hidrogen greu izotopii deuteriu si tritiu la asa temperaturi are loc fuziunea nucleara, eliberandu-se aproximativ 17,6 MeV pe element de fuziune. Energia apare la inceput ca energie cinetica a lui heliu 4, dar este transformata repede in caldura. Daca densitatea de gaz este sufucienta, la aceste temperaturi trebuie sa fie de 10-5 atm, aproape vid, energia nucleului de heliu 4 poate fi transferata gazului de hidrogen, mentinandu-se temperatura inalta si realizandu-se o reactie in lant. Problema de baza in atingerea fuziunii nucleare este caldura gazului si existenta unei cantitati suficiente de nuclee pentru un timp indelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru a incalzi gazul. O alta problema este captarea energiei si convertirea in energie electrica. La o temperatura de 100.000 C toti atomii de hidrogen sunt ionizati, gazul fiind compus din nuclee incarcate pozitiv si electroni liberi incarcati negativ, stare numita plasma. Plasma calda pentru fuziune nu se poate obtine din materiale obisnuite. Plasma s-ar raci foarte repede, si peretii vasului ar fi distrusi de caldura. Dar plasma poate fi controlata cu ajotorul magnetiilor urmand liniile de camp magnetic stand departe de pereti. In 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, in timpul fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui. O alta cale posibila de urmat este de a produce fiziune din deuteriu si tritiu pus intr-o sfera mica de sticla care sa fie bombardata din mai multe locuri cu ul laser pulsand sau cu raze ionice grele. Acest procedeu produce o implozie a sferei de sticla, paroducandu-se o reactie termonucleara care aprinde carburantul. Progresul in fuziunea nucleara este promitator dar infaptuirea de sisteme practice de creare stabile de reactie de fuziune care sa produca mai multa energie decat consuma va mai lua ceva decenii pentru realizare. Activitatea de experimentare este scumpa. Totusi unele progrese sau obtinut in 1991 cand o cantitate importanta de energie (1,7 milioane W) a fost produsa cu ajutorul reactie de fuziune controlata in Laboratoarele JET din Finlanda. In 1993 cercetatorii de la Universitatea din Princeton au obtinut 5.6 milioane W. In ambele cazuri s-a consumat mai multa energie decat s-a creat. Daca reactia de feziune devine practica ofera o serie de avantaje: o sursa de deuteriu aproape infinita din oceane, imposibilitatea de a produce accidente din cauza cantitatii mici de carburant, reziduriile nucleare sunt mai putin radioactive si mai simplu de manipulat. 4.Dezintegrarea radioactiva Radioactivitatea este o proprietate a nucleelor atomice de a se dezintegra spontan prin emisia unor radiatii alfa si gama. Legea dezintegrarii radioactive Probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu in unitatea de timp este ? si se numeste constanta de dezintegrare. Unitatea de masura in S.I este s-1 Activitatea unui esantion radioactiv se noteaza cu ? si reprezinta probabilitatea de dezintegrare a celor N nuclizi radioactivi din esantionul respectiv. Studiind elementele radioactive Rutherford si Sody au descoperit ca procesele de dezintegrare sunt procese ce se supun unor legi statistice, nu se poate prevedea momentul cand un anumit nuclid radioactiv din sursa se va dezintegra . au stabilit si ca dezintegrarea unui nuclid nu este influentata de ceilalti nuclizi existenti in esantionul radioactiv. A este direct proportional cu numarul de nuclizi radioactivi din sursa. Legea integrala a dezintegrarii radioactive stabilita experimental pe baza rezultatelor lui Rutherford si Sody este: , N 0 este numarul de nuclizi radioactivi din esantion la momentul t = 0, N(t) este numarul de nuclizi radioactivi care au ramas nedezintegrati dupa timpul t. Prin diferentiere se obtine . Ultima relatie reprezinta legea diferentiala a dezintegrarii radioactive, fiind numarul de nuclizi care se dezintegreaza in unitatea de timp. reprezinta probabilitatea ca ce cele n nuclee sa se dezintegreze in unitatea de timp. Legea de dezintegrare radioactiva este: In laborator o sursa S de radioactivitate ? si cu ajutorul unui detector de radiatii care inregistreaza numarul de radiatii ce intra in detector in unitatea de timp, exprimand viteza de numarare R. Legatura dintre R si activitatea sursei. Orice sursa radioactiva nepolarizata emite izotop, cu aceeasi probabilitate in toate directiile, in detector ajunge numai radiatiile emise sub un unghi solid ?O. Pe detector ajung numai , factor geometric, nu toate radiatiile ajunse pe detector dau un impuls de aceea se defineste eficacitatea sursei e, reprezinta raportul dintre numarul de radiatii inregistrate (numarul impulsurilor la iesire) si numarul de radiatii ajunse pe detector. Deci vor fi inregistrate. Exemplu: fie sursa de cobalt 60. Nichelul nu trece direct in starea fundamentala datorita regulilor de selectie, trece intr-o stare mai putin excitata dupa care in starea fundamentala prin dezintegrari gama. Fig. 5. Schema dezintegrarii sursei de cobalt Intre R si numarul de nuclee din sursa dezintegrate in unitatea de timp exista relatia: R=(G e s) ?, s factor de schema, G factor geometric. Putem scrie legea de dezintegrare si pentru viteza de numarare: Metodele de masurare a activitatii unei surse radioactive sunt de doua feluri: absolute si relative. Metodele absolute prezinta metoda geometrica si metoda coincidentelor. Metoda geometrica presupune o sursa cu o activitate pe care trebuie sa o masuram situata la o distanta fata de detector si determinam viteza de numarare a detectorului. Trebuie sa cunoastem tipul de radionuclid si modul de dezintegrare pentru a sti factorul de schema s. Cunoscand tipul de radiatie emisa si tipul de detector se poate lua din tabele valoarea lui e. G = , (Bq) Unitatea de masura a activitatii sursei in S.I. este Becquerel (1Bq = descarcare /secunda). 1 Curie = 3,7 Bq reprezinta activitatea unui gram de radiu. Metoda se numeste geometrica deoarece trebuie evaluat dO. Metoda relativa presupune existenta unei surse etalon a carui activitate ? este cunoscuta si vrem sa exprimam activitatea unei surse ?x in functie de activitatea sursei etalon ?e. Se face o masuratoare cu sursa etalon si una cu cea cu activitate necunoscuta in aceleasi conditii geometrice si cu acelasi detector. Dar: deoarece avem aceleasi conditii geometrice, acelasi tip de sursa si acelasi detector. In aceste conditii avem . Marimi caracteristice: 1. Constanta de dezintegrare ?. O determinam plecand de la . Fig. 6. Graficul dezintegrarii radioactive Logaritmam si obtinem: ln R = ln R0 -?t Fig. 7. Panta dreptei din figura 7. Reprezinta valoarea constantei de dezintegrare. 2. Timpul de injumatatire T reprezinta intervalul de timp dupa care numarul de nuclee ramase nedezintegrate in sursa se reduce la jumatate. N(T) = Daca cunoastem ? putem determina timpul de injumatatire. Pentru nuclizii care au timpul de injumatatire relativ mic (de ordinul orelor, zilelor) acesta poate fi determinat direct prin variatia vitezei de numarare in timp. 3. Timpul mediu de viata t viata medie a nuclizilor din sursa radioactiva. Se defineste ca o medie statistica: Dupa integrare rezulta 4. Activitatea specifica ?s reprezinta activitatea unitatii de masa de preparat radioactiv. . Daca preparatul este lichid se defineste sub forma: Activitatea specifica este utila pentru a prepara surse de activitate data dintr-o sursa mai mare de substanta radioactiva. Radiatia alfa Cercetarile experimentale au aratat ca radiatiile alfa sunt constituite din particule incarcate pozitiv care s-au dovedit a fi nuclee de He in miscare rapida, avand o viteza aproximativ 20 . Majoritatea nuclizilor radioactivi naturali emit radiatii alfa. In urma unei dezintegrarii alfa, nuclidul derivat este situat in tabelul lui Mendeleev cu doua casute la stanga nuclidului generator: Radiatia gama Aceste radiatii nu sunt influentate de campul electric sau magnetic. Ele sunt de natura electromagnetica si pot suferi fenomene de reflexie refractie, difractie si interferenta. Radiatiile gama insotesc dezintegrarile alfa atunci cand nucleul derivat, aflat intr-o stare excitata, revine la starea fundamentala prin emisie de fotoni gama. Prin emitere de radiatii nucleul isi schimba alcatuirea. Avem de a face cu transformarea spontana a unei specii nucleare in alta, o transmutatie nucleara.

Textul de mai sus reprezinta un extras din "Referat Fizica nucleara". Pentru versiunea completa a documentului apasa butonul Download si descarca fisierul pe calculatorul tau. Prin descarcarea prezentei lucrari stiintifice, orice utilizator al site-ului www.studentie.ro declara si garanteaza ca este de acord cu utilizarile permise ale acesteia, in conformitate cu prevederile legale ablicabile in domeniul proprietatii intelectuale si in domeniul educatiei din legislatia in vigoare.

In cazul in care intampini probleme la descarcarea fisierului sau documentul nu este nici pe departe ceea ce se doreste a fi te rugam sa ne anunti. Raporteaza o eroare

Important!

Referatele si lucrarile oferite de Studentie.ro au scop educativ si orientativ pentru cercetare academica.

Iti recomandam ca referatele pe care le downloadezi de pe site sa le utilizezi doar ca sursa de inspiratie sau ca resurse educationale pentru conceperea unui referat nou, propriu si original.