Klasszikus fizika Mechanika Hőtan Elektromosságtan Mágnesesség Fénytan (Optika) Kezdetben: Kísérletek Később: A matematika fejlődésével párhuzamosan. Elméleti összefüggések (Pl.Uránusz) A 19. század végéig hatalmas fejlődés Elméleti összefüggések Jelenségek megfigyelése

A modern fizika alapjai A klasszikus fizikában volt néhány tapasztalat, amit nem lehetett összeegyeztetni a newtoni mechanika és maxwell-i elektromágnesesség alapelveivel. Ezek az ellentmondások olyan területekhez kapcsolódnak, ahol az embernek nincs lehetősége érzékszervi tapasztalatokat szerezni. (pl. Fénysebesség közelében)

A klasszikus fizika világképe fénysebesség közelében nem alkalmazható!

Modern fizika 1. szakasz A relativitás elmélet születése 1. Megoldatlan kérdés: mihez viszonyítva terjed a fény c=300.000 km/s sebességgel. A vonat fénysebességgel halad A tetején menetiránnyal megegyezően szaladunk v sebességgel A sebességünk a - Földhöz képest- fénysebességnél nagyobb??

1. kérdés feloldása: Speciális relativitáselmélet Einstein szerint: A fény bármilyen inerciarendszerhez képest c=300.000 km/s sebességgel terjed. Albert Einstein(1879-1955) német fizikus

Einstein szerint: nincs éter 2. kérdés A transzverzális, mechanikai hullámok közvetítéséhez szükséges egy rugalmas közeg. A fény transzverzális hullám. Mi közvetíti? Létezik egy a fény terjedését biztosító, világmindenséget kitöltő rugalmas anyag: az éter?? Minden kísérlet, ami az éter kimutatására irányult eredménytelennek bizonyult. Einstein szerint: nincs éter

Tömeg-energia ekvivalencia egyelet: Speciális relativitáselmélet további eredményei Tömeg-energia ekvivalencia egyelet: Ahol : E - egy tetszőleges test összenergiája, m - a test tömege, c - a vákuumbeli fénysebesség Eszerint, ha egy testnek nő az energiája, a tömege is nő. A tömegből származó energia nagy része már nyugalmi állapotban is a testekben van.

Speciális relativitáselmélet következményei: Hosszúság-kontrakció Egy nyugvó rendszerben l hosszúságú test egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben megrövidül. Hosszúsága az eredeti hosszúság -szorosa lesz. Ez a jelenség hosszúságmérő eszközökkel nem bizonyítható, mivel azok is hosszúság- kontrakciót szenvednek.

Speciális relativitáselmélet következményei: Idő-dilatáció Egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó esemény egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben hosszabb ideig tart: ∆t

Max Planck német fizikus A 20 Max Planck német fizikus A 20. századi fizika egyik elindítója volt, aki nem hitte el, hogy már mindent felfedeztek. „a tudományos igazságok előbb-utóbb érvényre jutnak, de nem úgy, hogy belátják a tévedésüket azok, akik korábban ellenezték, hanem úgy, hogy lassan kihal az a generáció, amely nem volt képes az új gondolatokat befogadni.”

De kevésbé forró testeknek is van hősugárzása. A kvantumelmélet születése A Nap látható, ultraibolya, infravörös (elektromágneses ) hullámok formájában érkezik a Földre. De kevésbé forró testeknek is van hősugárzása. Az erősebben felmelegedő testek pedig látható fényt is kibocsátanak: először vörös, majd egyre fehérebb izzással. Az abszolút fekete test energia kibocsátása a hullámhossz függvényében (Planck-görbe)

Hőmérsékleti sugárzás A testek hőmérsékletétől függő erősségű és összetételű elektromágneses sugárzást hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük. A hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a klasszikus fizika törvényeivel nem tudták megmagyarázni.

Max Planck 1900-ban olyan matematikai összefüggést vezetett le, amely pontosan összhangba volt a tapasztalatokkal. Feltételezte, hogy a testek hőmérsékleti sugárzásának energiája kis adagokból, úgynevezett kvantumokból tevődik össze. Egy kvantum energiája: E=h*f f- a rezgés frekvenciája, h - Planck állandónak nevezünk.

A kvantum energiája egyenes arányban áll a hullám frekvenciájával. Planck-hipotézis A kvantum energiája egyenes arányban áll a hullám frekvenciájával. Newton: „A természet nem csinál ugrásokat”

A fényelektromos jelenség Fotoeffektus Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű cink lemezt elektronok hagyják el A lemez pillanatszerűen elveszíti negatív töltését. A jelenség független a fény intenzitásától. Ez a jelenség a fotoeffektus.  nagy frekvenciájú fény 1888. A. Sztoljetov ( orosz ) és W. Hallwachs ( német )

Magyarázata Albert Einstein 1905. Planck kvantumhipotéziséből kiindulva: ezek az energiakvantumok fénysebességgel repülnek és önálló részecskéknek tekinthetők. A fény kvantumjai: fotonok Egy foton energiája egyenesen arányos a fény frekvenciájával.

Az alkáli fémek ( Li, Na, K, Rb,…) esetében ez a jelenség már látható fény hatására is létrejön. Ezen alapszik a fotocella működése. Látható fény hatására az alkálifém katódról elektronok lépnek ki az anód gyűjtőhurok felé, melyeket az anód be is gyűjt. Az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki, melyet aztán egy áramkörben hasznosítanak.

A fotoeffektus magyarázata. 1905. Albert Einstein A fotoeffektus magyarázata. Azt a legkisebb energiát, amely az elektronnak a fémből való kiléptetéséhez szükséges, kilépési munkának nevezzük. Ezek után Ez az ún. fényelektromos egyenlet Ahol a foton energiája kilépési munka az elektron mozgási energiája

Az atom fogalom fejlődése

Az atom görög szó, jelentése: oszthatatlan. Demokritosz ( i.e. 460 – 370 ): Az atomisták vezetője Az anyag nagyszámú, parányi, tovább már nem osztható részecskéből áll.

1. atommodell: PUDING MODELL 1904. J. J. Thomson: „Mazsolás puding modell” (≈ 10-10 méter) A pozitív töltésű atomban a negatív töltésű elektronok elszórtan helyezkednek el.

2. atommodell: NAPRENDSZER MODELL 1909. (Sir) E. Rutherford ( angol ): aranyfüst fóliát bombázott α részecskékkel. Az He ionok nagy része változatlanul áthaladt a fólián, viszont néhány esetén nagyfokú eltérülést tapasztalt.

Magyarázat Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ 10 -14 m) Az atom belseje majdnem teljesen üres. Az atom tömegének nagy része egy igen kicsi térfogatú központi részben az atommagban található. Atommag felfedezése: nucleus ( r ≈ 10 -14 m) Az atommag pozitív töltésű!

 1911. E. Rutherford: bolygók + Nap ≈ atommag + elektronok

Kémiai elemek Olyan anyagok, amelyek egyféle, kémiai szempontból azonos atomokból épülnek fel. Atommagjukban azonos számú protont tartalmaznak. Rendszerük: Periódusos rendszer Z- protonok száma, rendszám A- tömegszám (protonok+neutronok száma) N- neutronok száma

Izotópok Hidrogén izotópjai Az azonos protonszámú, de különböző neutronszámú atomok Hidrogén izotópjai 1 proton 1proton 1 proton 0 neutron 1 neutron 2 neutron Hidrogén Deutérium Trícium

3. modell: Bohr-féle atommodell Az atom elektronjai csak meghatározott pályákon keringhetnek a mag körül. Az elektron nem sugároz. () Minden héjon csak meghatározott számú elektron tartózkodhat.

Kvantumszámok Főkvantumszám Az atommag és az elektronfelhő átlagos távolságára ad felvilágosítást. Jele: n Értéke: 1, 2, 3…(pozitív egész számok) Mellék-kvantumszám Az elektronfelhő alakjára ad felvilágosítást. Jele: l Értékei: 0, 1, 2…(n-1)

Mágneses-kvantumszám Az azonos alakú, tehát azonos mellék-kvantumszámú pályák irányára ad felvilágosítást. Jele: m Értékei: -l, (-l+1)…..0…..+l Spinkvantumszám Az elektronfelhő impulzusmomentumára, mágneses tulajdonságára ad felvilágosítást. Jele: ms Értéke: +1/2 vagy –1/2

Pauli-féle kizárási elv Az atom nem lehet olyan állapotban, amelyben két vagy több elektronjának mind a négy kvantumszáma megegyezik.

Energia (Foton) kibocsátás Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron az egyik pályáról a másikra ugrik. , Foton elektron atommag

Energia (foton) elnyelés Az atom csak olyan foton befogására képes, amelynek energiája éppen egyenlő két pályaenergia különbségével. elektron Foton

A fény kettős természete A fény az elektronhoz hasonlóan viselkedik Ha a fény valamely közegben terjed HULLÁM A fény kisugárzása és elnyelése közben RÉSZECSKE

Foton és elektron A. Compton Tapasztalat: A szórt fotonra paraffin A. Compton Tapasztalat: A szórt fotonra és az elektronra érvényes az impulzus- megmaradás törvénye.

Foton tömege Az előző kísérlet alapján kiderült, hogy a fotonnak van tömege és lendülete. Planck-hipotézis: E=h*f, ahol h-Planck állandó Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia: E=m*c2 m*c2=h*f

I=m*c=h*f/c=h/ Foton lendülete c-fénysebesség -hullámhossz f-frekvencia m-foton tömege

Eredmények Az elektromágneses mezőnek van tömege, lendülete, energiája. Az elektromágneses mező az anyag egyik megjelenési formája.

Vajon egy elektron is rendelkezik hullám tulajdonságokkal? Az elektron A fény kettős természetű: elektromágneses hullám részecske Az elektron, mint részecske: Tömege: m=9,1*10-31 kg; Töltése: e=-1,6*10-19 C Vajon egy elektron is rendelkezik hullám tulajdonságokkal? Igen

Az elektron, mint hullám De Broglie: Az anyagi részek mozgása is leírható hullámtulajdonságokkal. Egy v sebességgel mozgó elektron hullámhossza: I=h/=m*v =h/(m*v) Ahol h-Planck –állandó m-elektron tömege

Heisenberg-féle határozatlansági reláció Az atomi részecskék mozgástörvényei valószínűségiek. Egy részecske helyét és lendületét nem lehet teljes pontossággal meghatározni. ∆x* ∆I ≥ h/4

4. modell: Hullámmodell Jellemzői: Az elektronok hullámtermészetét is figyelembe veszi. Az atom elektronállapotát az atommag vonzásterében kialakuló De Brolie hullámokkal írja le. A modell végre összhangban van a kísérleti eredményekkel.

Atommagfizika

Atommag részei Töltése: nincs Száma: N db Tömegszám (A) Proton Tömege: mproton=1,67*10-27kg Töltése: e=1,6*10-19 C Száma: Z db (rendszám) Neutron Tömege: mprotonmneutron Töltése: nincs Száma: N db Tömegszám (A) Nukleonok száma: A=Z+N

Atommag tömege: Mmag=A*mproton Ahol A-atommag tömegszáma

Nukleáris kölcsönhatás A pozitív töltésű protonok elektromos kölcsönhatása: taszító! A magon belül lennie kell egy vonzó jellegű kölcsönhatásnak . Ez a nukleáris kölcsönhatás Más néven: erős kölcsönhatás, magerő.

A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai Rövid hatótávolságú, csak a szomszéd nukleonok között hat. Százszor erősebb,mint az elektromos kölcsönhatás. Töltés független

Atommagok kötési energiája Kötési energia: az a munka amely ahhoz szükséges, hogy az atommagot alkotórészeire bontsuk szét. Az atommagok kötési energiáját megadja az Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia képlet: E=m*c2

Az atommagok tömeghiánya Az atommagok tömege mindig kisebb, mint az alkotóelemek tömegeinek összege.

m=Z*mp+(A-Z)*mn-mmag A hiányzó tömeg m=Z*mp+(A-Z)*mn-mmag mp- proton tömege mn- neutron tömege A hiányzó tömeg mérésével a kötési energia kiszámítható: Ekötési=m*c2

Egy nukleonra jutó kötési energia Nukleonok száma Átlagos kötési energia A vas környéki atommagok kötése a legerősebb. „VAS-tó”

Energia az atommagból Két féle módon nyerhető: A könnyű atommagok egyesítésével: magfúzió, Például: csillagok 2. Nehéz atommagok hasításával: fisszió Például: atomerőművek

Radioaktivitás Henri Becquerel Marie Curie, Pierre Curie: Radioaktivitás felfedezése: uránszurokérc Marie Curie, Pierre Curie: Rádium, polónium felfedezése. Kísérletek alapján: A radioaktív sugárzás atommagok bomlásakor keletkezik. A sugárzó elemek atommagjai átalakulnak.

Radioaktív sugárzások fajtái -sugárzás (He++ ionok) Egy papírlap is elnyeli. A tömegszám 4-el csökken.

-sugárzás (nagy E-jú e--k) n0=>p++e- Kb. 30 lap nyeli el n0=>p++e-

-sugárzás (nagy E-jú elektromágneses sugárzás) Vastag ólomréteg is csak részben nyeli el. Mindig -sugárzás vagy -sugárzás után következik be. A gerjesztett atommag kibocsát egy  fotont.

A bomlást leíró fizikai mennyiségek Aktivitás: időegységre eső bomlások száma jele: A mértékegysége: Bq λ:bomlásállandó N:a t idő múlva jelenlévő bomlatlan atomok száma

Felezési idő Felezési idő: az az idő, amely alatt az atommagok fele elbomlik jele: T1/2

Bomlástörvény: N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma N (t) :a t időpillanatban jelenlévő bomlatlan atommagok száma N (0) : kezdeti bomlatlan atommagok száma Átlagos élettartam: A bomlásállandó reciproka.

Radioaktivitás észlelése Wilson-féle ködkamra A kamrában alkohol telített gőze van, a sugárforrásból kilépő részecskék ionokat hoznak létre, körülöttük a gőz lecsapódik. Charles Thomson Wilson 1869-1959

Radioaktivitás észlelése Geiger-Müller számláló – GM-cső anód: W-szál katód:Cu-henger Anód-katód közötti feszültség:500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz A belépő radioaktív részecskék ionokat hoznak létre a gázokban, ez áramlökést hoz létre. Hans Geiger 1882-1945

Maghasadás Nehéz atommagok hasítása. A természetben előforduló legnagyobb protonszámú atommag: urán. Protonszáma: 92

azaz minden 140-edik uránmag 235U, a többség pedig 238U. Két fajta „stabil” urán atommag is van: a 235U és a 238U 235U: 92db proton+143 db neutron 238U: 92 db proton+146 db neutron A természetes uránban az arányuk 1:140, azaz minden 140-edik uránmag 235U, a többség pedig 238U.

A maghasadás jelensége: neutron+ 235U két kisebb atommag + 3 neutron + energia

Az atomreaktor elve maghasadás

A láncreakció (Szilárd Leó ötlete): a maghasadáskor keletkezett neutronokat újabb maghasadás kiváltására használjuk, így a számuk gyorsan megsokszorozódik.

Annál valószínűbb a hasadás, A legtöbb atommag (a 238U is) csak elnyeli a neutronokat, de nem hasad el. Csak a 235U ilyen különleges ! DE: Nem minden neutron hasítja el a 235U-t sem! El is nyelődhet, és van, amelyik csak „elrepül” mellette. Annál valószínűbb a hasadás, minél hosszabb ideig tartózkodik a mag közelében!!

Probléma: Megoldás: neutronok lelassítása. A maghasadáskor keletkezett neutronok részesülnek a felszabaduló nagy energiából, tehát nagyon gyorsak. Nagy sebesség : rövid ideig van a mag mellett! NEM JÓ ! Megoldás: neutronok lelassítása. Moderátor anyag (víz, nehézvíz (Paks), grafit)

Atomreaktor felépítése

Atomerőmű felépítése

hűtő- és hőhordozó közeg (energia) sugárvédelmi fal (radioaktivitás) Atomreaktor fontos részei üzemanyag (dúsítás..) moderátor szabályozó elemek hűtő- és hőhordozó közeg (energia) sugárvédelmi fal (radioaktivitás)

Bányászat olcsó, kisebb kockázatú Az atomerőművek előnyei 1) Sűrű energia: maghasadáskor sokmilliószor annyi energia szabadul fel, mint a szén, olaj, vagy földgáz elégetésekor Következmények: Bányászat olcsó, kisebb kockázatú ~2 millió tonna (21000 vasúti kocsi) b) Szállítás olcsó szén ~1,3 millió tonna (10 millió hordó) c) Nagy tartalék készle- tek halmozhatók fel: Független energia- ellátás olaj ~30 tonna UO2 (1 vasúti kocsi) urán d) Hulladék kisebb mennyiségű

Az atomerőművek előnyei 2) Környezetbarát: atomerőművekben nem keletkezik üvegházhatást okozó gáz (széndioxid). Kyotó Egyezmény vállalásai csak atomerőművekkel teljesíthetők 3) Olcsó: az összes többi energiatermelési móddal összehasonlítva az egyik legolcsóbb (a földgáztüzelésű erőművek kb. ilyen olcsók még) 4) Földrajzi adottságoktól függetlenül telepíthető: pl. vízerőmű, szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen 5) Pillanatnyi klimatikus hatásoktól függetlenül működik: pl. szélerőmű, napenergiával működő erőmű nem ilyen

Aki dúsítani tud, az 90%-ra A nukleáris üzemanyag-ciklus járulékos problémái Aki dúsítani tud, az 90%-ra dúsított uránt is tud készíteni (atomfegyver készítése) Normál üzem/üzemzavar Nukleáris balesetek Az újrafeldolgozás során plutónium is kinyerhető! (bomba) Hosszú időre biztonságosan kellene megoldani

Atomerőművek radioaktív kibocsátása Többszintű védelem: Pasztillák (megkötik a keletkező anyagokat) Üzemanyag pálcák (hermetikusan lezárva) Nyomásálló reaktor-tartály Biológiai védelem (konténment)

Önmagától, közbe sem kellett avatkozni !! Atomerőművek biztonsága Láncreakció megszaladása elleni védelem: a láncreakcióhoz moderátor szükséges! Ha víz a moderátor, akkor biztonságos, hiszen: Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem lesz moderátor… …leáll a láncreakció. Önmagától, közbe sem kellett avatkozni !! (nem tud „elromlani”)

Grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktor Atomerőművek biztonsága Ha ilyen jó, akkor mi történt Csernobilban? Csernobilban a moderátor grafit volt, mint az első atommáglyánál Grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktor A víz csak hűtést (energiaszállítást) végzett, és ezért nem volt moderátor szerepe, de valamennyi neutront elnyelt !!!

Atomerőművek biztonsága Ha grafit a moderátor és vízzel hűtünk (Csernobil) akkor: Ha növekszik a láncreakció sebessége… …növekszik a hőmérséklet… …elforr a víz, nem nyel el annyi neutront (a grafit moderátor ott marad!)… …a láncreakció még gyorsabbá válik !! Instabil üzemállapot !! Ez sem volt azonban atombomba-robbanás, „csak” hőrobbanás (kazán)

Radioaktív hulladékok elhelyezése Kis- és közepes aktivitású, rövid felezési idejű hulladékok (felszín közeli)