Atomenergia

Atomfizikai egységek Atomi tömegegység 1 u = a szén-12 atom tömegének 1/12 része 1 u = 1,66054∙10-27 kg Energiaegység: elektron volt 1 e- töltéssel rendelkező részecske mozgási energiájának változása 1 V gyorsító-feszültség hatására 1 eV = 1,60217733∙10-19 J

Atomfizikai egységek Elemi töltés 1 e = 1,60217733 ·10-19 C (p+ – e-) Tömeg – energia ekvivalencia E = mc2 Fénysebesség c = 299 792 458,2 m/s 1 u tömeg által képviselt energia E1u = 1,4922 ·10-10 J = 931,34 ·106 eV

Magfizikai alapok Atomot és atommagot felépítő (főbb) részecskék: proton, jele p+, pozitív töltésű (+1 e), tömege 1,00727 u; neutron, jele n0, semleges töltésű, tömege 1,00866 u; elektron, jele e-, negatív töltésű (-1 e), tömege 0,00055 u; pozitron, jele e+, pozitív töltésű (+1 e), tömege 0,00055 u.

Magfizikai alapok Atommagot felépítő részecskék: proton és neutron: nukleon. Jelölések: protonszám (rendszám): Z; neutronszám: N; tömegszám: A=N+Z. Az elem jele:

Magfizikai alapok Magrészecskék közötti erők Coulomb-erő (taszító) Gravitációs erő (vonzó)

Összetartó erő: magerők. Magfizikai alapok Összetartó erő: magerők. Jellemzői: erős kölcsönhatás; nukleonok között hat és töltésfüggetlen; rövid (~10-15 m) hatótávolságú; kicserélődési jellegű (p+→n0, n0→p+); mezonok közvetítik.

Az atommag potenciáltere Magfizikai alapok Az atommag potenciáltere

Tömeghiány, kötési energia Magfizikai alapok Tömeghiány, kötési energia atomtömeg ≠ ∑(részecskék tömege) Részecskék (2mp++2mn0+2me-) = 4,0330 u Atom (M) = 4,0026 u Tömeghiány (ΔM): = 0,0304 u Kötési energia B = E = ΔMc2

Fajlagos kötési energia (B/A) Magfizikai alapok Fajlagos kötési energia (B/A)

Atomenergia hasznosítás energia = 24 MeV/He atom képződés Magfizikai alapok Atomenergia hasznosítás Könnyű magok → fúzió (egyesítés) Felszabaduló energia: [(B/A)kiinduló-(B/A)keletkező]·Akeletkező deutérium-hélium: Δ(B/A)=6,075 MeV energia = 24 MeV/He atom képződés

Atomenergia hasznosítás energia = 200 MeV/ U atom hasadás Magfizikai alapok Atomenergia hasznosítás Nehéz magok → fisszió (hasítás) 7,35 MeV/nukl. ~8,2 MeV/nukl. felszabadul: ~0,9 MeV/nukl. energia = 200 MeV/ U atom hasadás

Atommagok stabilitása izotóp: Z=áll., N, A változó ugyanazon elem különböző tömegszámú változata izoton: N=áll., Z, A változó azonos neutronszámú elemek izobár: A=áll., N, Z változó állandó tömegszámú elemek

Természetes radioaktivitás Energiaminimumra való törekvés ↓ Bomlás, részecske kibocsátás Gerjesztett izotóp γ sugárzás stabil izotóp

Radioaktív bomlások Bomlások fajtái β--bomlás (negatív bétabomlás), K-befogás (inverz bétabomlás), α-bomlás, neutron-kibocsátás, γ-foton kibocsátása, izomer átalakulás.

neutrontöbblet csökken Radioaktív bomlások β- bomlás (negatív bétabomlás) β- részecske: magból kilépő elektron izobár átalakulás neutrontöbblet csökken

protontöbblet csökken Radioaktív bomlások β+ bomlás (pozitív bétabomlás) β+ részecske: pozitron (pozitív elektron) izobár átalakulás protontöbblet csökken

Radioaktív bomlások K-befogás izobár átalakulás protontöbblet csökken (inverz bétabomlás) elektron befogás a K-héjról izobár átalakulás protontöbblet csökken röntgensugárzás

Radioaktív bomlások α-bomlás tömegszám csökken a termékmag gerjesztett α-részecske: He atommag (2p++2n0) (nagytömegű elemekre jellemző) tömegszám csökken a termékmag gerjesztett γ-foton kibocsátás

neutrontöbblet csökken Radioaktív bomlások n0-emisszió neutrontöbblet csökken izotóp átalakulás

Radioaktív bomlások Bomlást kísérő jelenségek γ-foton kibocsátás gerjesztett állapot → alapállapot izomer átalakulás β-részecske kibocsátás utáni tartósan gerjesztett állapot

Radioaktív bomlások A bomlás időbeli lefolyása (Q: forrástag) dN=(Q-λN)dT λ bomlási állandó, [λ]=1/s Ha Q=0 (csak bomlás): Megmaradó (anyaelem) magok száma: N=N0e-λT Keletkező stabil (leányelem) magok száma: N0-N=N0(1-e-λT)

Radioaktív bomlások Felezési idő, amikor N/N0=2 a felezési idő

Radioaktív bomlások Aktivitás, A Mértékegység: [A] = Bq. 1 Bq (becquerel) = 1 bomlás/s

Radioaktív bomlások Instabil közbenső mag A → B → C λA λB anyaelem-közbenső elem: dNA=-λANAdT közbenső elem-leányelem: dNB=λANAdT-λBNBdT forrástag

Radioaktív bomlások Instabil közbenső mag

Radioaktív bomlások Többféle bomlási folyamat egyidejűleg pl. szervezetbe jutott radioaktív anyag effektív bomlási állandó: λeff=∑ λi effektív felezési idő: Teff=1/ ∑ 1/Ti

Sugárzások hatásai α-részecske (nagytömegű, pozitív töltésű) ionizáció → ionpár keletkezik; abszorpció → új elem + neutronkibocsátás; rövid hatótávolságú (~cm..μm tartomány); inkorporáció esetén veszélyes.

Sugárzások hatásai β-részecske (kistömegű, +/- töltésű) elektron gerjesztés → ionizáció; atomi erőtér → fékezési sugárzás → fény; rövid hatótávolságú (~cm..mm tartomány).