MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY SZIE Gödöllő

Az előadások a következő témára: "MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY SZIE Gödöllő"— Előadás másolata:

1 MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY SZIE Gödöllő
Fizika és Folyamatirányítási tanszék

2 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

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

4 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

5 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

6 FÉNYKVANTUM (EINSTEIN)
FEKETE TEST SUGÁRZÁS ABSZOLÚT FEKETE TEST MINDEN RÁESŐ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁST ELNYEL E =hf ENERGIA ADAGOKBAN TÖRTÉNIK AZ ENERGIA CSERE (h---PLANCK ÁLLANDÓ 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, J) ( E=hν )

7 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)

8 ΔΨ+8π2m/h2(E-V) Ψ=0 (stacioner)
HULLÁMMECHANIKA SCHRÖGINGER egyenlet ΔΨ+8π2m/h2(E-V) Ψ= (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

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

10 RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS α He atommagok (+)
β elektronok β- , (pozitronok β+) γ elektromágneses sugárzás (E– MeV)

11 RADIOAKTÍV BOMLÁSTÖRVÉNY
Aktivitás A=dN(t)/dt [A]=Bq (becquerel) 1 Bq= 1 bomlás/másodperc Nem SI egység Ci (Curie) 1 Ci = 3, Bq

12 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

13 Tfizikai Tbiológiai Teffektív
T FELEZÉSI IDŐ Tfizikai Tbiológiai Teffektív

14 9+4=12+1 4+2=6+0 MAGREAKCIÓK HIDROGÉN DEUTÉRIUM TRÍCIUM
RENDSZÁMOK ÖSSZEGE (TÖLTÉS) TÖMEGSZÁMOK ÖSSZEGE ÁLLANDÓ HIDROGÉN . DEUTÉRIUM TRÍCIUM

15 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

16 AZ ATOMMAG KÖTÉSI ENERGIÁJA
(SZÉTSZEDJÜK AZ ATOMMAGOT ALKOTÓRÉSZEIRE) TÖMEGDEFEKTUS: ΔM=(Zmp+(A-Z)mn)-M E = ΔM · c Einstein 1 u= 1 ATE= 931 MeV Atomi tömegegység ( C-12 atommag 12–ed része) FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA: AZ EGY NUKLEONRA ESŐ KÖTÉSI ENERGIA

17 FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA FÜGGÉSE A TÖMEGSZÁMTÓL
FÚZIÓ MAGHASADÁS KÖNYYŰ MAGOK EGYESÍTÉSE NEHÉZ MAGOK HASADÁSA, HASÍTÁSA

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

19 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

20 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?

21 U-235 HASADÁS: LASSÚ NEUTRONOK JOBBAN HASÍTANAK
GYORS NEUTRONOK KELETKEZNEK MODERÁTOR (KIS TÖMEGSZÁMÚ) (D2O, GRAFIT, H2O) PAKSI REAKTOR: VVER VÍZ-VIZES-ENERGETIKAI-REAKTOR A MODERÁTOR ÉS HŰTŐKÖZEG IS VÍZ (H2O) Természetben működő önszabályzó reaktor (GABON, OKLO)

22

23 NYOMOTT VIZES (PWR) REAKTOR

24 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

25 3-szoros biztonságvédelmi filozófia
Szabályozás: primerkörbe—bór(sav) Szabályozórudakkal 3-szoros biztonságvédelmi filozófia

26 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

27 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

28 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

29 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)

30 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

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

32 Szcintillációs detektorok
Anód Szcintillátor NaI Fotokatód

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

34 SZÍNKÉPELEMZÉS

35 Johann Jacob Balmer (1825-1898)
a H-atom színképvonalainak összefüggése (1885) - 1/λ = R(1/22 - 1/n2), n = 3, 4, 5, ...

36 Sugárzó izotóp sugárzásának mérése a sugárzás ionizáló hatásán alapul (Geiger-Müller számláló)
Ar töltőgáz alkohol-gőz -1000 V

37 Szcintillációs detektorok
Elvi felépítés Szcintillációs számlálóberendezés

38 Fekete test hőmérsékleti sugárzás

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

40

41

42

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

44

45

46

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

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

49 Galileo Galilei (1564. -1642. olasz természettudós.

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

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

52 Mileva Marić és Albert Einstein

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

54

55

56

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

58

59