Experimentální metody jaderné fyziky
Při experimentálním výzkumu jaderného záření a mikročástic je třeba záření detekovat a zaznamenávat pohyb částic. Musíme mít proto k dispozici přístroje schopné takové záření a částice zachytit, odhalit a zaznamenat.
Tato zařízení nazýváme detektory částic – např.
- Ionizační komory
- Geigerův-Müllerův (GM) čítač
- Mlžné a bublinové komory
- Polovodičové detektory
- Hmotnostní spektrografy
- …
Detektory záření – rozdělení
lze je dělit podle typu média:
- emulzní – v tomto případě jde o působení na fotografickou emulzi
- plynové – jsou založeny na primárních účincích záření, tj. na ionizaci a excitaci atomů plynu
- moderační – obsahuje látku, která účinně zpomaluje neutrony
- scintilační – založeny na principu excitace elektronu do vyššího energetického stavu zářením, přičemž návrat elektronu do základního stavu se projeví jako světelný záblesk
- polovodičové – opět funguje na principu exitace elektronu tentokrát do tzv. vodivého pásma polovodiče, působí-li na polovodič elektrické pole, projeví se tento přeskok jako zvýšení vodivosti
obrázek vynechánDetektory
GM čítač (1928)
- Detekuje a počítá částice, které mají ionizační vlastnosti
- je trubice plněná plynem, v níž jsou dvě elektrody, mezi nimiž je silné elektrické pole.
- Částice, která proletí trubicí, způsobí kaskádovitou ionizaci a tím i krátkodobý elektrický výboj, který lze registrovat čítačem.
obrázek vynechán
Fotografické emulze – zaznamenávají dráhu částice a umožňují změřit její energii a hybnost
Wilsonova mlžná komora – je naplněná parami alkoholu nebo vody. Páry v komoře jsou syté a prolétávající částice vytvoří stopu z malých kapiček vody nebo alkoholu
obrázek vynechánobrázek vynechán
obrázek vynechán
Detektory II
Bublinové komory – jsou naplněné přehřátou tekutinou (tekutý H nebo He) pod zvýšeným tlakem. Při náhlém snížení tlaku se v místech průchodu částice vytváří bublinková stopa, která se fotografuje
Scintilační čítače – dopadá-li γ-záření na NaI (jodid sodný), vyvolává světelný záblesk. Ten se po zesílení fotonásobičem registruje
Polovodičové detektory (ATLAS)
– slouží ke sledování drah částic
obrázek vynechán
obrázek vynechánŽenevské jezero
Large Hadron Collider
Letiště
CMS
ATLAS
LHCb
ALICE
Atomové jádro
Atomové jádro tvoří centrální oblast atomu a představuje prakticky celou jeho hmotnost (r = 10-15 m). Skládá se z protonů a neutronů. V jádře působí jaderné síly, které jsou pouze přitažlivé, krátkodosahové a působí mezi nukleony bez ohledu na jejich náboj.
Pro poloměr atomového jádra platí: R = R0 . A1/3
kde A … nukleonové číslo, R0 = 1,3\.10\-15 mNuklid je soubor atomů, které mají stejné protonové číslo i nukleonové číslo (počet nukleonů v jádře).
Izotopy – nuklidy jednoho prvku (například 235U a 238U). Jádra jednotlivých izotopů se obvykle liší svou stabilitou.
Vazebná energie jádra – platí pro ni
Ej = Bj . c2 =
= (Z.mp + n.mn – mj) . c2
kde mj … klidová hmotnost jádra
mp = 1,673 \. 10\-27 kg
mn = 1,675 \. 10\-27 kg
a B … hmotnostní úbytek \(defekt\)Vazebná energie jader jednotlivých nuklidů se navzájem liší a proto zavádíme vazebnou energii připadající na jeden nukleon
obrázek vynechán
obrázek vynechánVazebné energii odpovídá podle vztahu ΔE = Δm.c2 úbytek klidové hmotnosti, který nazýváme hmotnostní úbytek B.
Potom __* *__Ev = B.c2, B = (m1+m2+…+mn) – m
__ __kde součet v závorce je součet klidových hmotností jednotlivých částí (nukleonů jádra) a m je klidová hmotnost jádra.
Při chemických reakcích je B velmi malé, ale vazebná energie atomových jader je cca 102 krát větší než energie chemická. Proto syntézou (fúzí) lehkých jader nebo jaderným štěpením těžkých jader lze získat značnou energii
Jaderné reakce
Jaderné reakce jsou přeměny jader atomů vyvolané vnějším zásahem (srážka atomového jádra s jinými jádry nebo částicemi). První umělá jaderná reakce byla provedena 1919 E. Rutherfordem
Další jaderná reakce již vedla k objevení neutronu (experimentálně i teoreticky vysvětlen tento jev až J. Chadwickem 1932, NC 1935)
obrázek vynechán
obrázek vynechán
Fúze a štěpení I
Rozlišujeme dva druhy jaderných reakcí:
Jaderná syntéza (fúze) – složením dvou lehčích jader (s menší hodnotou εj) vznikne jádro těžší (s větší εj) a uvolňuje se energie Er
Pozn.: 1) Problémem jaderných syntéz je přiblížit kladně nabitá jádra na dosah jaderných sil („vadí“ např. elektronové obaly a odpudivé síly mezi jádry). Potřebnou energii mohou jádra získat zahřátím na teploty vyšší než 106 K. Takto probíhá termonukleární reakce při výbuchu vodíkové bomby nebo v nitru hvězd.
-
2\) Řízená termonukleární reakce je stále ve stádiu výzkumu a experimentů* obrázek vynechán obrázek vynechán
Fúze a štěpení II
Štěpení těžkých jader neutrony
Neutron díky nulovému el. náboji snadno proniká do atomového jádra i při malých energiích a může dojít k štěpné reakci
Vzniklá jádra jsou v excitovaném stavu a uvolňuje se kolem 200 MeV energie. Uvolněné neutrony po zpomalení štěpí další jádra a může nastat řetězová reakce. K jejímu zahájení je potřebné kritické množství štěpného materiálu. Pro 23592U je to asi 44,5 kg.
Pozn.: Jaderná štěpná reakce se využívá v jaderných elektrárnách (řízená reakce – 1942 E. Fermi), zneužívá se v jaderných bombách (neřízená reakce – Hirošima a Nagasaki 1945).
obrázek vynechán
obrázek vynechánJaderný reaktor
V jaderném reaktoru probíhá řetězová reakce za účasti jen určitého počtu účinných neutronů (k – multiplikační faktor)
Je-li k<1, reakce vyhasíná, je-li k=1, je reakce činná a plně pod kontrolou, je-li k>1, je již reakce neřízená, lavinovitá.
První řízenou jadernou reakci provedl v r.1942 E. Fermi pod stadionem Chicagské univerzity
obrázek vynechánJaderná elektrárna