MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY SZIE Gödöllő Fizika és Folyamatirányítási tanszék hegyi.karoly@gek.szie.hu

KLASSZIKUS FIZIKA G. Galileitől (1564-1642) M. Planckig MECHANIKA TÖMEGPONT PONTRENDSZEREK MEREV TEST KONTINUMOK (HIDRODINAMIKA) OPTIKA (FÉNYTAN) GEOMETRIAI FIZIKAI (HULLÁM) TERMODINAMIKA (HŐTAN) FENOMENOLOGIKUS STATISZTIKUS ELEKTRODINAMIKA (VILLAMOSSÁGTAN) ELEKTROSZTATIKA MAGNETOSZTATIKA ELEKTRODINAMIKA (MAXWELL) gyg

MODERN FIZIKA (1900 -) RELATIVITÁS ELMÉLET KVANTUMFIZIKA ATOMFIZIKA ATOMMAGFIZIKA SZILÁRDTEST FIZIKA KOZMOLÓGIA Titanic Titanic n

RELATIVITÁS ELMÉLET SPECIÁLIS ÁLTALÁNOS (GRAVITÁCIÓELMÉLET) LORENTZ (LORENTZ TRANSZFORMÁCIÓK) POINCARE EINSTEIN (1905!) MINKOWSKI (NÉGYDIMENZIÓS TÉR) MICHELSON-MORLEY KÍSÉRLET (ÉTER) ÁLTALÁNOS (GRAVITÁCIÓELMÉLET) EINSTEIN (EÖTVÖS LORÁND) PARADIGMAVÁLTÁS TÉR – IDŐ (koordináta rendszertől függő) TÖMEG (tehetetlen, súlyos) ANYAG –ENERGIA ( E=mc2 ) ERŐ ( ) Arpi Sándor

KVANTUMFIZIKA SPEKTRUM ATOM VONALAS SZÍNKÉP MAGYARÁZATA (BALMER) 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

FÉNYKVANTUM (EINSTEIN) 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 FÉNYKVANTUM (EINSTEIN) FOTOEFFEKTUS (FÉNYELEKTROMOS HATÁS) Ekin=hf-Wki 1/2 me v2 e =hf-Wki FOTON: E=hf I=h/λ (1 eV=1,6 10-19 J) ( E=hν )

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)

ΔΨ+8π2m/h2(E-V) Ψ=0 (stacioner) HULLÁMMECHANIKA SCHRÖGINGER egyenlet ΔΨ+8π2m/h2(E-V) Ψ=0 (stacioner) ΔΨ=∂2Ψ/ ∂x2+ ∂2Ψ/ ∂y2+ ∂2Ψ/ ∂z2 Ψ(x,y,z) hullámfüggvény Koppenhágai iskola---megtalálási valószínűség MÁTRIXMECHANIKA (HATÁROZATLANSÁGI RELÁCIÓ (pl. Δx Δpx≥ h =h/2π) HEISENBERG Neumann János Hilbert térben , hermetikus operátorok

ATOMMAGFIZIKA ATOMMAGFIZIKA Z--- RENDSZÁM (PROTON) A---TÖMEGSZÁM (PROTON + NEUTRON) TERMÉSZETES MESTERSÉGES STABIL RADIOAKTÍV IZOTÓP (azonos protonszám)

RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS α He atommagok (+) β elektronok β- , (pozitronok β+) γ 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

N(t)=N0 e- λ t Radioaktív bomlástörvény dN(t)/dt = - λ N(t) λ --- bomlási állandó [λ] = 1/s N(t)=N0 e- λ t Radioaktív bomlástörvény

Tfizikai Tbiológiai Teffektív T FELEZÉSI IDŐ Tfizikai Tbiológiai Teffektív

9+4=12+1 4+2=6+0 MAGREAKCIÓK HIDROGÉN DEUTÉRIUM TRÍCIUM RENDSZÁMOK ÖSSZEGE (TÖLTÉS) TÖMEGSZÁMOK ÖSSZEGE ÁLLANDÓ HIDROGÉN . DEUTÉRIUM TRÍCIUM

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. 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: ΔM=(Zmp+(A-Z)mn)-M E = ΔM · c2 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 MAGHASADÁS KÖNYYŰ MAGOK EGYESÍTÉSE NEHÉZ MAGOK HASADÁSA, HASÍTÁSA

MAGHASADÁS: ATOMERŐMŰ: HŐERŐMŰ, MELY A MAGHASADÁSSAL KELETKEZETT HŐT ALAKÍTJA ÁT ELEKTROMOS ENERGIÁVÁ LÁNCREAKCIÓ:

U-235 HASADÁSNÁL ÁTLAGOSAN 2,47 DB. NEUTRON KELETKEZIK TERMÉSZETES URÁN: U-235 HASADÁSNÁL ÁTLAGOSAN 2,47 DB. NEUTRON KELETKEZIK EGY MAG HASADÁSAKOR KB. 200 MeV ENERIA SZABADUL FEL

TISZTA U-235, KRITIKUS TÖMEG ATOMBOMBA: HASADÁSI MANHATTAN PROJEKT HIROSIMA (URÁN), NAGASAKI (PLUTÓNIUM) TISZTA U-235, KRITIKUS TÖMEG SZILÁRD LEO 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

3-szoros biztonságvédelmi filozófia Szabályozás: primerkörbe—bór(sav) Szabályozórudakkal 3-szoros biztonságvédelmi filozófia

Paksi Atomerőmű VVER-440 reaktor szekunderkör→normál hőerőmű 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 (1 rad=0,01 Gy) Biológiai dózis: (Gray) 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 Összesen: 1,75 mSv/év Klinikai tünet: 1000 mSv Panaszt nem okozó: 250 mSv Röntgenvizsgálat:: 0,5 – 4 mSv Csernobil: 0,5 – 1 mSv

Sugárzásdetektorok 1. Magfizikai emulzió (filmdoziméter) 2. Gázionizációs detektorok - + ≈1000 V Fémszál töltőgáz fémburok →Egy ion ionlavinát kelt Geiger-Müller (GM) cső 3. Wilson kamra

Szcintillációs detektorok Anód Szcintillátor NaI Fotokatód

Gázionizációs detektorok Működési elv A anódszál, K katódhenger, T feszültségforrás, R munkaellenállás, M mérőműszer, S szigetelés. A M R K S - + T

SZÍNKÉPELEMZÉS

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

Fekete test hőmérsékleti sugárzás

Wien Planck Rayleigh-Jeans Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) Wien Planck Rayleigh-Jeans W

Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) az UV-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás és tulajdonságai (1895) az első Nobel-díj (1901)

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887. – 1961 Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887. – 1961. ) Nobel-díjas osztrák fizikus

Werner Karl Heisenberg (1901. – 1976.) Nobel-díjas német fizikus,

Galileo Galilei (1564. -1642. olasz természettudós.

Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858.–1947..) Nobel-díjas német fizikus

Albert Einstein (1879.–, 1955. ) elméleti fizikus,

Mileva Marić és Albert Einstein

James Clerk Maxwell (1831.–1879. ) skót matematikus-fizikus.

FOTOEFFEKTUS Foton hf energiával fémlemez e ELEKTROMÁGNESES HULLÁMMAL (FÉNNYEL) MEGVILÁGÍTOTT FÉMLEMEZBŐL ELEKTRONOK LÉPNEK KI Foton hf energiával fémlemez e