Φυσική Γ’ Λυκείου Γενικής Παιδείας ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ http://users.dra.sch.gr/filplatakis

Henri Becquerel (1852-1908)

Εικόνα από το φωτογραφικό φιλμ του Μπεκερέλ το οποίο κάηκε από έκθεση στην ραδιενέργεια άλατος ουρανίου. Ο μαλτέζικος σταυρός που παρενεβλήθη στο κάτω μέρος ανάμεσα στο ουράνιο και το φιλμ, άφησε καθαρά το ίχνος του.

Ernest Rutherford (1871-1937)

Το μοντέλο του ατόμου που πρότεινε ο Rutherford και οι μαθητές του

Πυρηνική ενέργεια Ε = mc2

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: π.χ. ο πυρήνας του ουρανίου περιέχει:  Συνολικά 235 νουκλεόνια (πρωτόνια+νετρόνια)  92 πρωτόνια  235 – 92 = 143 νετρόνια

π.χ. τα ισότοπα του Οξυγόνου είναι:  Ισότοποι λέγονται οι πυρήνες που έχουν ίδιο ατομικό αριθμό Ζ (ίδιο αριθμό πρωτονίων), αλλά διαφορετικό μαζικό Α (δεν έχουν ίδιο αριθμό νετρονίων)  Τα άτομα που φιλοξενούν τους ισότοπους πυρήνες έχουν ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων (όταν είναι ουδέτερα) και γι’ αυτό ανήκουν στο ίδιο στοιχείο π.χ. τα ισότοπα του Οξυγόνου είναι: 99,763% στη φύση 0,037% 0,200%

Οι μάζες των πυρήνων μετριούνται:  Μονάδα ατομικής μάζας u (το 1/12 της μάζας του ατόμου του 12C) Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας η μάζα m οποιουδήποτε σώματος είναι ισοδύναμη με κάποια ποσότητα ενέργειας, όπως καθορίζεται από τη σχέση: Ε = mc2 Οπότε η μάζα μετριέται και σε μονάδες ενέργειας:  1 MeV = 1,6·10-13J (1u = 931,48 MeV)

Μάζες ηρεμίας και φορτίο των σωματιδίων του ατόμου

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 +

ΔΜ = Ζmp + Nmn − MΠ ΕΒ = (ΔΜ)c2  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 και η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο μερικών πυρήνων:

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

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

Ομοίως, 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 κα στην σύντηξη ελαφρότερων πυρήνων, οι πυρήνες που προκύπτουν έχουν μεγαλύτερη ενέργεια σύνδεσης/νουκλεόνιο Συνεπώς είναι σταθερότεροι και αποδεσμεύεται συνολικά ενέργεια που την εκμεταλλευόμαστε

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 συγκεκριμένη 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 συγκεκριμένη 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