Jaderná fyzika

Atom je elektroneutrální částice, která se skládá z atomového jádra (protony, neutrony) a elektronového obalu (elektrony)
"Klasický" atom má stejný počet protonů jako elektronů
Iont - atom, který má jiný počet elektronů než protonů a neutronů (elektrony se mnohem snadněji přidávají/ubírají než protony a neutrony)
Protony a neutrony se dále dají dělit na kvarky, u elektronu se předpokládá, že se nedá dělit, = že je základní, neboli elementární částice. Kvark je také elementární částice.

Atomy se dále seskupují do molekul. Velikost atomu se udává v řádu desetin nanometru - 0,000 000 000 1 metru, neboli 10^-10 m. Jádro je řádově 100 000 krát menší než celý atom. (Poměr je stejný jako porovnání fotbalového hřiště a pingpongového míčku)

Protonové číslo - udává počet protonů v atomu
Nukleonové číslo - udává počet částic v jádře (=protonů + neutronů)
Váha protonu a neutronu - v řádech 10^-26, elektrony jen 10^-29 → hmotnost atomu je soustředěna v jádře - hustota jádra je nepředstavitelně velká.

Atomová jádra

Rutherford roku 1911 ostřeloval tenkou zlatou fólii jádry helia. Z chování helia pro průletu zlatem odvodil strukturu atomu (pokud jádro hélia narazilo do jádra zlata, odrazilo se zpět, pokud jádro prolétlo blízko jádra zlata, vychýlilo se)
Do té doby se myslelo, že atom má pudingový model - že atom vypadá jako koule pudingu, ve které "plavou" elektrony.
Rutherford v pokusech pokračoval a podařilo se mu změnit jeden prvek v druhý
TODO: nukleonové a protonové číslo
Chemický prvek - Všechny atomy v látce mají stejné neutrinové číslo
Nuklid - látka má stejné protonové a neutronové číslo
Izotop - Stejné protonové, ale jiné neutrinové číslo - např. vodík má tři izotopy - vodík - 1 proton, 1 neutron, deuterium - 1 proton, 2 neutrony, tricium - 1 proton, 3 neutrony

Radioaktivita

= samovolný rozpad atomového jádra
Objevitel radioaktivity - Becquerel
Marie Curie Sklodowska - další zkoumání, objev dalších radioaktivních prvků
Umělá i přirozená mají pořád samovolný rozpad
Poločas rozpadu - značí se T - doba, za kterou se rozpadne polovina z celkového počtu radioaktivních jader

Záření alfa

= proud jader hélia
Nejméně nebezpečné - dá se zastavit papírem
Když se jádro rozpadne, "odloupnou" se z něj dva protony a dva neutrony → vzniká nový prvek.
Přeměňová řada - pokud z rozpadlého jádra vzniká další, které je zase radioaktivní, to se zase rozpadne, atd.

Rozpad alfa ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He

Záření beta

= proud elektronů - neutron se rozpadá na elektron, proton a další částice. Dělí se na beta + (vzniká uvolňováním pozitronu - antičástice elektronu - má stejné vlastnosti jako elektron, ale záporné nabití) a beta - (klasické elektrony)

Rozpad beta ²³⁴₉₀Th → ⁰_-1e+²³⁴₉₁Pa
Jelikož se neutron rozpadá na proton a elektron, nukleonové číslo se nemění, navíc se zvýší protonové číslo

Záření gama

= proud fotonů
cestě záření zabrání vrstva olova

Neutrinové záření

= proud neutronů
V okolí reaktoru, jaderný výbuch
Projde bez problémů olovem, dá se zastavit vrstvou vody/betonu

Využití jaderného záření

Vojenství, lékařství, výzkum, energetika, archeologie - určování stáří nálezů, gamma nůž

Výzkumy

Metoda značených prvků - zkoumání koloběhu prvků v rostlinách a živých organismech
Archeologické výzkumy - určování stáří nálezů - každý živý organismus má v sobě dané množství radioaktivního uhlíku (¹⁴₆C), uhlík se po smrti organismu pouze rozkládá, tudíž se dá, pokud víme, kolik uhlíku měl v sobě organismus, vypočítat stáří organismu, a to díky tomu, že tento uhlík také podléhá poločasu rozpadu.

Technická praxe

Sterilizace potravin
defektologie - hledání vad v materiálu - radioaktivní záření se stejně jako ostatní záření řídí zákony odrazu - pokud je v zařízení prasklina, odrazí se záření už od něj
detektory kouře
Výroba elektrické energie

Lékařství

Vyšetřování, ozařování nádorů, gamma nůž

Jaderné reakce

Při jaderné reakci dochází ke změně jádra (= změně počtu protonů a neutronů)
Jaderná reakce je v přírodě běžná - Slunce - slučování jader deuteria a tritia → vzniká hélium (což souvisí s latinským názvem Slunce)

Rutherford proti sobě posílal atomy dusíku a hélia, vznikly izotopy kyslíku a vodíku:
¹⁷₇N+⁴₂He → ¹⁷₈O+ ¹₁H
Každé jádro drží pohromadě jaderné síly, které ale působí pouze na krátkou vzdálenost (řádově na vzdálenost rozměru jádra). Jádra se slučují tak, že se vystřelí proti sobě obrovskou rychlostí, tím zíkají velikou kinetickou energii, sloučí se dřív, než je jaderné síly navzájem odpudí

Uvolňování jaderné energie, jaderný reaktor

1% celkového množství uranu - uran 235
Pro spuštění reakce je potřeba kritické množství uranu - 40kg
Je potřeba spustit řetězovou štěpnou reakci - reakce se šíří

Jaderné štěpení

n + U → Ba + Kr + 3n
(1 neutron + Uran → Barium a krypton + 3 neutrony)

Jaderné slučování

na Slunci:
³₁H + ²₁H → ⁴₂He + ¹₀n

Při vhodném typu těchto reakcí dochází k uvolňování energie - to souvisí se slavnou rovnicí E=mc² (energie = hmotnost × rychlost světla ve vakuu ²) - pokud bychom u předchozí rovnice porovnali hmotnosti levé a pravé strany, zjistili bychom, že pravá strana má hmotnost menší → nějaká energie se musela uvolnit
Platí zákon zachování energie a hmotnosti
Jaderné slučování na Zemi: dvě různá zařízení: tokamak a stelarátor
Částice v látce se při vysoké teplotě pohybují velmi rychle, pokud bychom ale látku zahřívali v nádobě, nádoba se roztaví
Zahříváním se látka mění na kapalnou, pak na plyn, poté na plazmu - plazma je v podstatě shluk iontů a elektronů, ty se dají udržovat na určitém místě pomocí magnetického pole
Cívka s velmi silným magnetickým polem (tokamak/stelarátor) dokáže zahřívat látky na plazmu, poté je díky magnetickému poli udrží dále od krajů, tudíž cívka se neroztaví
Atomy se při takto vysoké teplotě prudce pohybují a slučují se, prozatím je ale vynaložená energie větší, než energie ze získané látky

pinč - vystřelení částic proti sobě, ty se sloučí a uvolní energii:
m₁+m₂ → m
m₁+m₂ > m
(některá hmota se přeměnila v energii)

antičástice - částice s opačnými vlastnostmi, než nějaká částice - pozitron
sloučením částice s antičásticí dochází k anihilaci - zmizení hmoty a uvolnění celé energie.

---

6 rozpadů alfa a 3 rozpady beta ²³⁸₉₂U:
Rozpady alfa:
²³⁸₉₂U → ²¹⁴₈₀X + 6⁴₂He
(Vzniká nějaká částice X)
Rozpady beta (bereme v úvahu pouze radioaktivní atom):
²¹⁴₈₀X → 3⁰_-1e + ²¹⁴₈₃X
Celkem tedy:
²³⁸₉₂U → 3⁰_-1e +6⁴₂He +²¹⁴₈₃X
Pokud se podíváme do periodické tabulky, zjistíme, že ²¹⁴₈₃X je ²¹⁴₈₃Bi, neboli bismut.

Jaderný reaktor

Štepný reaktor

Základní látkou je ²³⁵₉₂U
. Okolo jaderného reaktoru je nějaká kapalina, například těžká voda, ta se zahřívá a následně protéká v okruhu, přičemž ohřívá další vodu v 2. nádrži.
Voda v 2. nádrži se ohřívá a vypařuje, pára pak pod tlakem roztáčí turbínu generátoru - ten je připojen na další části elektrárny a na rozvodnou síť.
Pára se pak ochlazuje v kondenzátoru a proudí okruhem zpět do 2. nádoby, kde se zase vypařuje, atd.
Voda v 3. nádobě - kondenzátoru - proudí do chladících věží, kde se část vypařuje, část kondenzuje zpátky do oběhu.
Z chladících věží jaderné elektrárny tedy proudí pouze pára
Na začátku je jaderná energie uranu → dále pohybová energie neutronů → tepelná energie vody v 1. okruhu → tepelná energie vody v 2. okruhu → kinetická energie páry → kinetická energie turbíny → elektrická energie

Jadernou reakci kontrolují kadmiové tyče, které pohlcují neutrony. Ty se v případě potřeby více zasunou do reaktoru, tím se štěpení buď zpomalí, nebo i úplně zastaví.
Samotný reaktor s 1. nádrží je obalem vrstvou železobetonu
Vyhořelý jaderný odpad nejprve přebývá v meziskladu - bazény s vodou, tam se přechovává, dokud se ještě víc "nezklidní", poté se jaderný odpad uchovává hluboko v podzemí.
Odpad pak zůstává nebezpečný tisíce let - nyní se zkoumají možnosti, aby byl nebezpečný pouze stovky let
U nás je kromě JE Temelín a Dukovany ještě malý jaderný reaktor v Praze - ČVUT

Fúzní reaktor

viz Jaderné slučování

Ochrana před zářením

hlídá se doba ozáření
vzdálenost
překážky mezi námi a zářičem

Polonium má poločas rozpadu 139 dní (T=139)
Mám dvě kila polonia. Za jak dlouho ho bude 1/4 kila?
log₂ (2÷0.25)=3 .. prošlo 3 poločasy rozpadu
3 × 139 = 417
417 dní. (vzoreček pro počítání poločasu rozpadu je log₂ (m_p÷m_v), kde m_p je počáteční hmotnost a m_v je výsledná hmotnost). Funkci log můžete najít např. na kalkulačce.

Plutonium má poločas rozpadu 10 let.
Kolik kg zbude z 20kg polonia za 50 let?

Uran 235 projde 3 ropady alfa a 2 rozpady beta:
²³⁵₉₂U → 3⁴₂He + 2⁰_-1e + ²²³₈₈X