Από το έλλειμμα μάζας στη ραδιενέργεια

Οι πρωτοπόροι Ακολουθώντας τα ίχνη του Roentgen ο φυσικός Henri Becquerel (Παρίσι - 1896) ανακάλυψε ότι οι κρύσταλλοι ορισμένου άλατος του ουρανίου εκπέμπουν αυθόρμητα μια αόρατη ακτινοβολία η οποία προσβάλλει τη φωτογραφική πλάκα. Το εντυπωσιακό όμως σε αυτή την περίπτωση ήταν ότι η εκπομπή της ακτινοβολίας έδειχνε να είναι αδιάκοπη και να συντελείται ανεξάρτητα από το εάν η ουσία φωτιζόταν ή δεν φωτιζόταν. Απέδειξε ακόμα ότι η « μυστηριώδης» αυτή ακτινοβολία μπορούσε να ιονίσει τον αέρα και με τη βοήθεια ενός ηλεκτροσκοπίου μπορούσε να ανιχνεύει την ύπαρξή της. Ο ιονισμένος αέρας γινόταν αγώγιμος και το ηλεκτροσκόπιο εκφορτιζόταν.

Η οικογένεια Curie Ο Pierre Curie και η Marie Curie (Παρίσι – 1897) ερεύνησαν μαζί και επίμονα το φαινόμενο ραδιενέργεια. Ανακάλυψαν νέα χημικά στοιχεία, το ράδιο και το πολώνιο, τα οποία ήταν ραδιενεργά, και έκαναν μετρήσεις πάνω στην ραδιενέργεια. Το 1901 σε ένα επικίνδυνο πείραμα που έκανε μόνος του κατάφερε να μετρήσει την ποσότητα θερμότητας που μεταβιβάζεται στο περιβάλλον από ένα γραμμάριο ραδιενεργού ραδίου ανά ώρα. Οι μετρήσεις του άνοιξαν τον δρόμο για την εξοικείωση των ερευνητών με τα τεράστια ποσά ενέργειας που απελευθερώνονται από τους πυρήνες της ύλης.

Οι πειραματιστές Ο Rutherford διατυπώνει τη θεωρία ότι οι εκπεμπόμενες ακτινοβολίες από το ουράνιο είναι ροή σωματιδίων: Η ακτινοβολία με τη μεγάλη μάζα και το θετικό φορτίο την ονομάζει α, και την ακτινοβολία με τη μικρή μάζα και το αρνητικό φορτίο β (1897). Ο Rutherford και ο βοηθός του Geiger (1906), προσδιορίζουν τον λόγο του ειδικού φορτίου της ακτινοβολίας α = με τον λόγο ενός πυρήνα ηλίου !

Geiger & Marsden

Οικοδομώντας τον πυρήνα ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΜΑΖΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ

Δομή πυρήνα + πρωτόνια + νουκλεόνια: νετρόνια

Αριθμοί ενός πυρήνα:  Ατομικός αριθμός (Ζ): Ο αριθμός των πρωτονίων του +  Αριθμός νετρονίων (Ν)  Μαζικός αριθμός (Α): Ο αριθμός των νουκλεονίων συνολικά Προφανώς: Α = Ζ + Ν

Ένας πυρήνας συμβολίζεται: ο πυρήνας του ουρανίου περιέχει:  Συνολικά 235 νουκλεόνια (πρωτόνια+νετρόνια)  92 πρωτόνια  235 – 92 = 143 νετρόνια

 Ισότοποι λέγονται οι πυρήνες που έχουν ίδιο ατομικό αριθμό Ζ (ίδιο αριθμό πρωτονίων), αλλά διαφορετικό μαζικό Α (δεν έχουν ίδιο αριθμό νετρονίων) Π.χ. στη φύση συναντώνται τρία διαφορετικά ισότοπα Η. Το ισότοπο που αποτελεί το 99,98% των ατόμων υδρογόνου ονομάζεται πρώτιο (1H) και αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Σε ποσοστό 0,02% συναντούμε ένα δεύτερο ισότοπο, το δευτέριο (ή 2D ) το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το τρίτο ισότοπο ονομάζεται τρίτιο (ή 3Τ) αποτελούμενο από ένα πρωτόνιο, δύο νετρόνια και ένα ηλεκτρόνιο και αντιστοιχεί ένα σε 10000 άτομα υδρογόνου. Το τρίτιο είναι ραδιενεργό με χρόνο ημίσειας ζωής τα 12,4 χρόνια. Ήταν τεχνητό νουκλόνιο στη Γη μέχρι την πρώτη δοκιμή υδρογονοβόμβας.

Ε = mc2 Οι μάζες των πυρήνων μετριούνται:  Μονάδα ατομικής μάζας u η μάζα μετριέται και σε μονάδες ενέργειας: 1 MeV = 1,6·10-13J, (1u = 931,48 MeV)

Ενέργεια σύνδεσης

Σωματίδια από τα οποία αποτελείται Πυρήνας τρίτιου + +

Η διαφορά της μάζας ΜΠ ενός πυρήνα από το άθροισμα των μαζών των ελεύθερων νουκλεονίων του ονομάζεται έλλειμμα μάζας ΔΜ + ΔM +

 Γενικά για έναν πυρήνα με Ζ πρωτόνια και Ν νετρόνια το έλλειμμα μάζας του είναι: ΔΜ = Ζmp + Nmn − MΠ Η ισοδύναμη ενέργεια που αντιστοιχεί στο έλλειμμα μάζας (η ενέργεια που χάνεται κατά τη δημιουργία του πυρήνα) λέγεται ενέργεια σύνδεσης EB του πυρήνα: ΕΒ = ΔΜ.c2

Η ενέργεια σύνδεσης εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια που πρέπει να δώσουμε για να απομακρύνουμε μεταξύ τους τα νουκλεόνια, ώστε να μην υπάρχει ανάμεσα τους καμία αλληλεπίδραση +

Ενέργεια σύνδεσης/νουκλ. = ΕΒ/Α  Αν διαιρέσουμε την ενέργεια σύνδεσης με τον αριθμό των νουκλεονίων έχουμε την ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο: Ενέργεια σύνδεσης/νουκλ. = ΕΒ/Α Η ενέργεια σύνδεσης/νουκλ. μετράει την σταθερότητα του πυρήνα. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης/νουκλ., τόσο σταθερότερος είναι ο πυρήνας

Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο σε συνάρτηση με τον μαζικό αριθμό των πυρήνων:

Όταν πυρήνας μεγάλου μαζικού αριθμού διασπάται σε ελαφρύτερους πυρήνες, έχουμε σχάση: + + +

όταν δύο ελαφροί πυρήνες ενώνονται προς σχηματισμό μεγαλύτερους πυρήνα, το φαινόμενο λέγεται σύντηξη + + +

ενέργεια σύνδεσης /νουκλεόνιο Και στις δύο περιπτώσεις, και στη σχάση ενός πυρήνα και στην σύντηξη ελαφρότερων πυρήνων, οι πυρήνες που προκύπτουν έχουν μεγαλύτερη ενέργεια σύνδεσης /νουκλεόνιο Συνεπώς είναι σταθερότεροι και αποδεσμεύεται συνολικά ενέργεια που την εκμεταλλευόμαστε

Πώς πετυχαίνεται η σταθερότητα; ΣΥΝΤΗΞΗ: 30 Χ + 28 Υ 58 Μ Μάζα Χ+ μάζα Υ> μάζα Μ Εξώθερμη αντίδραση ΣΧΑΣΗ: 230Χ 120Υ + 110Μ Μάζα Χ > μάζα Υ + μάζα Μ Εξώθερμη αντίδραση

Π.χ. Αν έχουμε έναν πυρήνα με Α = 200 νουκλεόνια και Ενέργεια σύνδεσης/νουκλ. = 7 ΜeV, για να τον διασπάσουμε στα νουκλεόνια από τα οποία αποτελείται θα προσφέρουμε ενέργεια: Ε1 = 200·7 = 1400 MeV + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Αν τα 200 νουκλεόνια ενωθούν σε δύο ίσους πυρήνες με Α = 100 και Ενέργεια σύνδεσης/νουκλ. = 8 ΜeV, κατά τον σχηματισμό των πυρήνων θα μας προσφέρουν ενέργεια Ε2 = 2·100·8 = 1600 MeV + + +

Ενεργειακό κέρδος από τη σχάση: Συνεπώς δώσαμε Ε1 = 1400 ΜeV για να διαλύσουμε τον αρχικό πυρήνα στα συστατικά του και πήραμε Ε2 = 1600 MeV κατά τον σχηματισμό των μικρότερων πυρήνων. Ενεργειακό κέρδος από τη σχάση: Ε = Ε2 – Ε1 = 200 MeV

ισχυρή πυρηνική δύναμη Τα νουκλεόνια συγκρατούνται στον πυρήνα με την ισχυρή πυρηνική δύναμη

Ισχυρής πυρηνικής δύναμης: Χαρακτηριστικά Ισχυρής πυρηνικής δύναμης: α) Δεν κάνει διάκριση μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Είναι δηλαδή η ίδια για τα ζεύγη πρωτόνιο-πρωτόνιο, πρωτόνιο-νετρόνιο και νετρόνιο-νετρόνιο. β) Δρά μόνο μεταξύ γειτονικών νουκλεόνιων και μόλις στις πολύ κοντινές αποστάσεις.

Οι πρώτες ενεργειακές στάθμες του πυρήνα 147Ν

Πόση ενέργεια ελευθερώθηκε κατά τη σχάση; Άσκηση (ylikonet.gr) Ένας πυρήνας 240Χ έχει ΕΒ/Α= 7ΜeV και διασπάται δίνοντας δύο όμοιους πυρήνες 120Υ με ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ΕΒ/Α=8ΜeV. Πόση ενέργεια ελευθερώθηκε κατά τη σχάση;

Ραδιενέργεια

Φαντασμαγορικό, αλλά …

Η διαδικασία κατά την οποία ένας πυρήνας μετατρέπεται σε έναν άλλο διαφορετικού στοιχείου ονομάζεται: μεταστοιχείωση Όταν ένας πυρήνας μετατρέπεται αυθόρμητα σε άλλο πυρήνα, εκλύεται ενέργεια με ταυτόχρονη εκπομπή ακτινοβολίας. Το φαινόμενο ονομάζεται: ραδιενέργεια

Εσωτερικό πειραματικού πυρηνικού αντιδραστήρα

Σωμάτιο α (πράσινη τροχιά) συγκρούεται με άτομο αζώτου Σωμάτιο α (πράσινη τροχιά) συγκρούεται με άτομο αζώτου. Το σωμάτιο α σκεδάζεται προς τα πίσω

Μια εντυπωσιακή φωτογραφία τροχιών σωματίων α σε ιονισμένο αλκοολούχο διάλυμα

Διάσπαση α A Z Χ Υ + Ηe U Th + He A-4 Z-2 4 2 238 92 4 2 234 90

Ένα ακόμη παράδειγμα διάσπασης α Μπορείτε να γράψετε τη σχέση της ραδιενεργού διάσπασης του Αμερίκιου?

Διάσπαση β- ή β+

Διάσπαση β (β- ) n p + e- + νe 1 0 1 1 C N + e- + νe 14 6 14 7

Διάσπαση β (β+) p n + e+ + νe 1 1 1 0 N C + e+ + νe 13 6 13 7

Η συμμετρία στη φύση Κάθε σωματίδιο έχει και το αντισωματίδιό του: Πρωτόνιο –αντιπρωτόνιο Ηλεκτρόνιο – ποζιτρόνιο Νετρόνιο – αντινετρόνιο Νετρίνο - αντινετρίνο

Ηλεκτρόνιο - ποζιτρόνιο: δίδυμη γένεση Ηλεκτρόνιο - ποζιτρόνιο: δίδυμη γένεση

νετρίνο – αντινετρίνο Tο νετρίνο, είναι ίσως η πιο παράξενη οντότητα στον κόσμο της φυσικής των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων. Έχει μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και δεν “αισθάνεται” την ηλεκτρομαγνητική και την ισχυρή αλληλεπίδραση, με αποτέλεσμα να είναι το στοιχειώδες σωμάτιο για το οποίο έχουμε τις λιγότερες πληροφορίες.  H πιθανότητα ύπαρξής του προτάθηκε για πρώτη φορά το 1932 απο τον Pauli. Πειραματικά διαπιστώθηκε το 1958 αλλά παρότι έχουν περάσει αρκετά χρόνια από τότε, είναι η πρώτη φορά που πειραματικοί ανακοινώνουν με βεβαιότητα ότι η μάζα του δεν είναι μηδενική. Aποτελεί ένα από τα κυριότερα συστατικά του σύμπαντος, ενώ επίσης παράγεται σε επιταχυντές. 

Ένα από τα τέσσερα μεγαλύτερα πειράματα ανίχνευσης νετρίνων στον πλανήτη εκτυλίσσεται σε θαλάσσια περιοχή της Μεσσηνίας. Κοντά στο φρέαρ των Οινουσών, ανοιχτά της Πύλου, σε απόσταση 10 μιλίων περίπου από το βαθύτερο σημείο της Μεσογείου, λειτουργεί ένα από τα τρία τηλεσκόπια νετρίνων στον κόσμο. Τα άλλα είναι , ένα στο Βόρειο Πόλο, ένα στη λίμνη Βαϊκάλη κι ένα ακόμα στη Χαβάη. Τα νετρίνο είναι μυστηριακά, σχεδόν φανταστικά σωματίδια, με σχεδόν μηδενική μάζα που κινούνται με την ταχύτητα των 300.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο (την ταχύτητα του φωτός). Τα νετρίνo απελευθερώθηκαν πριν 15 δισεκατομμύρια χρόνια, μετά από μια έκρηξη αδιανόητης ισχύος και υφής -το Big Bang- που αποτέλεσε την αρχή της δημιουργίας του Σύμπαντος. Πείραμα Νέστωρ

Ανιχνευτές του Νέστορα

Radioactivity ή διαδοχικές μεταστοιχειώσεις

Τηλεσκόπιο ανίχνευσης ακτινοβολίας γ

διάσπαση γ 232 86 4 2 Ra Rn* + He 236 88 232 86 Rn* Rn + γ 232 86

Ακτινοβολία γ από τις εσχατιές του σύμπαντος

Διεισδυτική ικανότητα των α, β, γ

Μέτρηση ραδιενέργειας

Τελικά η ραδιενέργεια δεν χρειάζεται πουθενά; Ακτινοβολία φωτονίων (ακτίνες Χ και γάμα). Τα φωτόνια εκπέμπονται από ραδιενεργούς πηγές, όπως κοβάλτιο ή καίσιο, ή από μια ειδική συσκευή που ονομάζεται Γραμμικός Επιταχυντής (linear accelerator). Η ακτινοβολία φωτονίων είναι το συνηθέστερο είδος ακτινοβολίας σε αγωγές κατά του καρκίνου. Ακτινοβολία σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια, σωματίδια Άλφα και Βήτα). Δέσμες ηλεκτρονίων μπορούν να παραχθούν και να κατευθυνθούν στο καρκινοπαθή ιστό μέσω Γραμμικού Επιταχυντή.

Positron emission tomography: Αξονική τομογραφία

Τo κλασικό σπινθηρoγράφημα oστών είναι μια καταξιωμένη τεχνική ανίχνευσης μιας σειράς παθoλoγικών καταστάσεων, πoυ περιλαμβάνoυν μεταβoλικές oστικές ή γενικότερες συστηματικές παθήσεις, φλεγμoνές, κατάγματα, πρωτoπαθείς oστικoύς όγκoυς, μεταστατική νόσo κ.λπ

Τέλος Βασίλειος Παππάς ΓΕΛ Καλαμπάκας