Fizika érettségi vizsga tétel 2010 - Magfizika

Atommag felépítése:
-p+ és n0-kból áll
-általában n0-ból több van, mivel a protonok pozitívak így taszítják egymást
-az úgynevezett "magerők" tartják (van másnéven "erős kölcsönhatás") egyben ezt a tömegdeffektussal lehet kiszámolni az "e=m*c^2" képletből ahol az "m" a tömegdeffektus:
Tömegdeffektus: "A kötött rendszer alacsonyabb energiájú, mint az alkotórészei, amikor nincsenek kötött állapotban, emiatt a tömegüknek kisebbnek kell lennie, mint az összetevők tömegeinek összege. Olyan rendszerek esetén, melyeknél a kötési energia alacsony, ez a kötés utáni „veszteség” elég kicsi hányada lehet a teljes tömegnek. A nagy kötési energiájú rendszerek esetén azonban a hiányzó tömeg könnyen mérhető rész." (kiszámítási módja benne van a fgvtáblában).

-Az atommag tömegének a növekedésével a magerők nagysága is növekszik, viszont egy bizonyos méret után már nem képesek a magerők a mag egészére kihatni, mivel erős exponenciális csökkenés tapasztalható az erő nagyságában a távolság növekedésével. A rendszámnövekedésével a protonok száma is növekszik, így az általuk kifejtett taszítóerő is Ebből következik:

• Legstabilabb maggal a Nikkel-62 (ez után a vas következik) rendelkezik mivel mérete nem túl nagy, viszonylag nehéz, de nincs benne túl sok proton
• A nikkelnél kissebb rendszámú magokra afúzió (összeolvadás), míg a nagyobb rendszámú magokra a frisszó azaz a bomlás/magasadás jellemző (ez nem jelenti azt hogy a nikkel utáni elemeket nem lehet fúzióra késztetni)
• A209-nél több nukleont tartalmazó magok (6 nukleonnyi átmérőnél nagyobbak) túl nagyok lesznek ahhoz, hogy stabilak legyenek, és spontán módon bomlanak könnyebb magokra.

Magfúzió:
-A magfúzió olyan magreakció, ami során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ez a folyamat lehet exoterm (energia leadás) vagy endoterm (energia felvétel), a kiinduló magok atomtömegétől függően. Az elemek közül a vas és a nikkel a legstabilabbak (ők rendelkeznek a legnagyobb fajlagos kötési energiával). Ha a fúzióban résztvevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni.
-Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója (endoterm voltukból kifolyólag) szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernova robbanás közben jöttek létre.
-Hogy a fúzió megtörténjen, az atommagoknak le kell győzniük a potenciálgátat.

Maghasadás:
A maghasadás során egy atommag két vagy több, kisebb magra szakad. A maghasadás során jelentkezhet alfa-, béta-, gamma-, valamint neutronsugárzás is. Ezt (többek között) az atomerőművekben használják ki, ahol szabályozott láncreakcióként megy végbe a maghasadás. Sugárzások (és bomlástípus)

• α-sugárzás: az atommag egy kétszeresen pozitív töltésű, 4-es tömegszámú héliummagot bocsát ki, melyet α-részecskének nevezünk. Roncsolóképessége igen nagy, ám hatótávolsága kicsi (könnyen elnyelődik: papírlap, sőt az emberi bőr is könnyen elnyeli).

Alkalmazása: mesterséges magátalakítások, az elsőt Rutherford végezte 1919-ben Nitrogén és alfarészecske ütközetésével hozott létre oxigént.
Az izotópos füstjelző berendezések működésének elve, hogy a kis áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (magyarul füst) nagy mértékben elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken.

• β-sugárzás: (elektron kibocsátás) áthatolóképessége és roncsolóképessége is az α és γ sugárzás között van. (aluminiumlemezzel pl. már le lehet árnyékolni) Alkalmazása =>????
  
  
  • β-:" A folyamat során egy neutron protonná alakul elektron és antielektron kibocsátás mellett. A keletkező atom rendszáma emiatt eggyel növekszik, tömegszáma változatlan marad. Neutronfelesleggel rendelkező atomokra jellemző."
    
  • β+ : "A folyamat során egy proton neutronná alakul egyszeresen pozitív pozitron (antielektron) és elektron kibocsátása mellett. A keletkező atom rendszáma emiatt eggyel csökken, tömegszáma változatlan marad."

• γ-sugárzás: A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámokból álló sugárzás, mely a gerjesztett atommagok alacsonyabban fekvő állapotba történő átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomláskor keletkezik. Ez a bomlás sok esetben kíséri az alfa- és béta-bomlást, valamint a magreakciókat. A gamma-sugárzás töltéssel nem rendelkezik, ezért áthatolóképessége igen nagy ( vastag ólom vagy betonréteg nyeli csak el.), roncsoló képessége azonban kisebb a többi sugárzásénál.

Alkalmazása:

• sterilizálás
• terápia – rákos daganatok eltávolítása
• radiológia – radioaktív izotópok nyomon követése a szervezetben
• gamma radiográfia – roncsolásmentes anyagvizsgálat, átvilágítás, hibakeresés
• elem analízis – karakterisztikus gamma fotonok segítségével

A rádioaktív sugárzások mérése a sugárzások ionizáló és fényfelvillanást okozó hatásán alapszik:
"A Geiger–Müller-cső egy gáztöltésű detektor, ami az ionizáló sugárzás detektálására képes. Általában henger alakú, a közepén egy vékony dróttal. A henger palástja játsza a katód, a drót az anód szerepét. A henger egyik alapján vékonyabb a fal – ezen keresztül jut az ionizáló sugárzás a csőbe. A sugárzás által keltett elektronok és ionok elkezdenek áramlani az elektródák felé, ezzel áramot keltve.A csőre kapcsolt feszültség 1000 V körül mozog. A magas feszültségnek köszönhetően nincs szükség erősítőre, a jelet direkt lehet a számlálóba vezetni – egyszerű modellek esetében egy hangszóróra. A magas feszültség miatt akár egyetlen elektron – ion pár is kisülést okoz, így a Geiger–Müller-cső alkalmatlan energiamérésre. Egyszerűsége miatt azonban ideális eszköz, ha terepen radioaktív sugárzást szeretnénk kimutatni."

A láncreakció típusai:A maghasadáskor létrejövő szabad neutronok lehetővé teszik, hogy a lövedéktermelő hasadási folyamat önfenntartóvá váljon, és a hasadások száma lavinaszerűen megnőjön. Ezt nevezik maghasadásos láncreakciónak. Pl. az uránatommagok hasadásakor a hasadványpárok mellett 2-3 szabad neutron is kilép az elhasadt atommagból.
A szabályozatlan láncreakció megvalósításához (pl. hasadó uránbomba) erősen dúsítani kell az uránt. A láncreakció beindulásához szükséges még, hogy a hasadó anyag tömege elérjen egy bizonyos kritikus tömeget.
Szabályozott hasadásos (+atomerőmű műkődése):láncreakciót az atomreaktorokban valósítanak meg. A szabályozás elve azon alapszik, hogy a kritikus tömeg alatti hasadóanyagot vékony rúd alakú, hermetikusan zárt csövekbe helyezik el. A láncreakció beindulását a csöveket körülvevő neutronlassító közeg (víz vagy grafit), az ún. moderátor alkalmazásával érik el. A láncreakció szabályozását pedig az uránrudak közötti neutronelnyelő (kadmium vagy bór) szabályzórudak mozgatásával oldják meg. A moderátor –hasadóanyag- szabályzórudak elrendezés együttesét, az aktív zónát sugárzáselnyelő tartályban helyezik el, melyet a sugárzásvédelem miatt több méter vastag betonfallal vesznek körül. Az atomerőművekben a hőenergiát maghasadás útján felszabaduló magenergia szolgáltatja, melynek felhasználásával vízgőzt állítanak elő. A vízgőzzel hajtott gőzturbina forgási energiája alakul át a generátorokban villamos energiává. Az atomerőművekben három üzemi kört különböztetünk meg.
Hermetikusan zárt primerkör: itt történik a maghasadás útján felszabaduló hőenergia elszállítása a reaktor aktív zónájából a szekunder kör gőzfejlesztőjébe. A szekunderkörben a nyomás csökkentésével a turbinát meghajtó nagy nyomású gőzt állítanak elő. A harmadik (tercier) körben a turbina fáradt gőzét csapatják le vízhűtéssel.

Atombombák

Az atombombák, vagy fissziós bombák energiájukat a nehézatommagok hasadásából nyerik: nehéz atommagok (urán vagy plutónium) hasadnak könnyebb elemekké neutronok besugárzása révén (ezek újabb neutronokat hoznak létre, melyek újabb atommagokat bombáznak, láncreakciót eredményezve). Az atombombák méretét nem lehet tetszőlegesen növelni, mivel a kritikus tömeg felett maguktól felrobbannak mindenféle külső hatás nélkül.

Hidrogénbombák

A hidrogénbombák, vagy fúziós bombák az atommagok egyesülésén, fúzióján alapulnak, amikor könnyebb atommagok, mint például hidrogén vagy hélium állnak össze nehezebb elemekké nagy energia felszabadulása mellett. A hidrogénbomba elnevezést az alapanyaga miatt kapta, hívják még termonukleáris fegyvernek is, mivel a fúziós reakcióknál a láncreakció beindulásához rendkívül magas hőmérséklet kell. A hidrogénbombák tömegének nincsen felső korlátja, mivel csak akkor robban, amikor megfelelően magas a hőmérséklet.

Háromfázisú bombák A fúzió során nagy mennyiségben keletkeznek neutronok, amelyek lehetővé teszik az uránium 238-as izotópjának a hasadását. A három fázisú bombákban a fúziós magot uránium 238 köpennyel veszik körül. A robbanás erejéhez mind a fúziós, mind a fissziós reakció jeletős részben hozzájárul. (így érik el a fúzióhoz szükséges hőmérsékletet)

Share this: