Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
Elementárna fyzika – Jadro atómu - Coggle Diagram
Elementárna fyzika – Jadro atómu
Stavba jadra
Nukleón
Spoločný názov pre protóny a neutróny
Protón – kladne nabitý, hmotnosť 1,673 × 10⁻²⁷ kg
Neutrón – elektricky neutrálny, o trochu ťažší ako protón
Nukleóny drží pohromade silná jadrová sila
💡 silná jadrová sila je najmocnejšia zo 4 základných síl vesmíru (gravitácia, elektromagnetická, slabá jadrová, silná jadrová), no pôsobí len na vzdialenosť ~10⁻¹⁵ m-
Nuklidové číslo (A)
A = celkový počet nukleónov
A = Z (protóny) + N (neutróny)
Nazýva sa aj hmotnostné číslo
Protónové číslo (Z)
Počet protónov = poradové číslo prvku v periodickej tabuľke
Určuje chemické vlastnosti – nie hmotnosť
Zmena Z = zmena prvku (transmutácia)
💡 alchymisti po stáročia hľadali spôsob ako zmeniť olovo na zlato – dnes to vieme urobiť v urýchľovači, ale je to extrémne drahé
Nuklid
Konkrétny atóm s presne daným Z aj A
Zápis: ²³⁸U, ¹²C, ¹H
Existuje ~3 300 známych nuklidov
Stabilných je len ~250
Izotop
Atómy toho istého prvku s rôznym počtom neutrónov
Rovnaké Z, rôzne A → rovnaké chemické vlastnosti, rôzne jadrové
Príklady: ²³⁵U a ²³⁸U, ¹H a ²H (deutérium) a ³H (trícium)
💡 uhlík-14 sa používa na datovanie archeologických nálezov – metóda rádiokarbon
Rádioaktivita
Polčas rozpadu (T½)
Čas za ktorý sa rozpadne presne polovica jadier vzorky
Nezávisí od teploty, tlaku ani chemického zlúčenia
Polónium-214: T½ = 0,000164 s
Urán-238: T½ = 4,47 miliardy rokov
Uhlík-14: T½ = 5 730 rokov
💡 T½ uránu-238 je takmer rovnaký ako vek Zeme – preto ho na Zemi ešte máme
Druhy žiarenia
Alfa (α) – héliové jadrá (2p + 2n), krátky dosah, zastaví ho papier
Beta (β) – rýchle elektróny alebo pozitróny, zastaví ho hliník
Gama (γ) – elektromagnetické vlnenie, zastaví ho hrubé olovo alebo betón
Biologické účinky
Ionizujúce žiarenie poškodzuje DNA
Jednotka dávky: Sievert (Sv)
Smrteľná dávka pre človeka: ~4–5 Sv
Využitie: rádioterapia rakoviny
Jadrové reakcie
Štiepenie jadra (fission)
Ťažké jadro (napr. ²³⁵U) pohltí neutrón a rozpadne sa
Vzniknú 2 ľahšie jadrá + 2–3 nové neutróny + energia
Reťazová reakcia – neutróny spúšťajú ďalšie štiepenia
💡 štiepenie 1 kg uránu uvoľní toľko energie ako spálenie ~3 000 ton uhlia
Fúzia jadier (fusion)
Dve ľahké jadrá sa spoja do jedného ťažšieho
Deutérium + Trícium → Hélium + neutrón + energia
Prebieha v jadrách hviezd pri ~15 miliónoch °C
💡 riadená fúzia je „svätý grál" energetiky – reaktor ITER vo Francúzsku sa ju pokúša ovládnuť
E = m · c²
Einsteinhov vzorec z roku 1905
Malá strata hmotnosti = obrovská energia
Príklad: strata 1 g hmoty = energia ~90 TJ
💡 pri štiepení uránu sa premení na energiu len ~0,1 % hmoty – napriek tomu je to miliónkrát viac ako pri chemickom horení
E - energia (Joul - J)
m - hmotnosť (kilogramy - kg)
c - rýchlosť svetla vo vákuu (m/s)
c ≈ 3 × 10⁸ m/s (300 000 km/s)
Jadrový reaktor
Princíp
Riadené štiepenie ²³⁵U alebo ²³⁹Pu
Reťazová reakcia musí byť kontrolovaná (koeficient násobenia k = 1)
Teplo ohrieva vodu → para → turbína → elektrina
Moderátory
Spomaľujú rýchle neutróny na tepelné (~2 200 m/s)
Pomalšie neutróny sú lepšie absorbované jadrom ²³⁵U
Grafit – použitý v Černobyli
Bežná voda (H₂O) – najrozšírenejší moderátor
Ťažká voda (D₂O) – efektívnejší, ale drahší
💡 Fermiho prvý reaktor Chicago Pile-1 (1942) bol postavený v squashovom kurte pod tribúnami opusteného štadióna Stagg Field v Chicagu
Ťažká voda (D₂O)
Voda kde vodík je nahradený deutériom (²H)
O 10 % ťažšia ako bežná voda
Absorbuje menej neutrónov ako H₂O → efektívnejší moderátor
Používa sa v reaktoroch CANDU (Kanada)
💡 za 2. svetovej vojny Nemci budovali reaktor na ťažkú vodu – sabotáž továrne v Norsku (Vemork) ich výrazne spomalila
Regulačné tyče
Absorbujú neutróny (materiál: bór, kadmium, hafnium)
Zasunutím sa reaktor spomalí alebo vypne
💡 v Černobyli mali regulačné tyče konštrukčnú chybu – pri zasúvaní krátko zvýšili výkon namiesto jeho zníženia
Typy reaktorov
PWR (tlakovodný) – najrozšírenejší na svete
BWR (varnovodný)
CANDU – bežný urán + ťažká voda
RBMK – grafitový (typ z Černobyľu)
Jadrové zbrane
Jadrová bomba (fission)
Nekontrolovaná reťazová reakcia – milióny štiepení za mikrosekundy
Palivá: ²³⁵U (uránová bomba) alebo ²³⁹Pu (plutóniová bomba)
Kritická hmotnosť – minimálne množstvo paliva pre reťazovú reakciu
Pre ²³⁵U je kritická hmotnosť ~47–56 kg (holá sféra bez odrážača neutrónov)
💡 „Little Boy" obsahovala 64 kg uránu, no rozštiepilo sa menej ako 1 kg – napriek tomu zničila celé mesto
Vodíková bomba (fusion)
Štiepna bomba slúži ako „rozbuška" pre fúziu
Fúzia deutéria a trícia uvoľní ešte viac energie
Stovky až tisíckrát silnejšia ako jadrová bomba
💡 sovietska „Cár bomba" (1961) mala výkon 50 megatón – viac ako 3 300-krát silnejšia ako bomba na Hirošimu
Jadrová zima
Teoretický dôsledok hromadného použitia jadrových zbraní
Prach a sadze by zablokovali slnečné svetlo na mesiace až roky
Pokles teplôt, neúroda, hladomor
💡 vedci odhadujú, že aj „regionálna" jadrová vojna (100 bômb) by stačila na globálnu katastrofu
Zaujímavosti
☢️ Prirodzená rádioaktivita existuje všade – v pôde, potravinách aj v ľudskom tele (draslík-40)
☢️ Banány sú mierne rádioaktívne – odtiaľ pochádza vtip o „banana equivalent dose"
☢️ Jadrová energia pokrýva ~10 % svetovej spotreby elektriny
☢️ Vo Francúzsku pochádza ~70 % elektriny z jadrových elektrárni – najviac na svete