Elemente de fizic nuclear
A. De la descoperirea radia iilor X la cea a neutronului.
Descoperirea radia iilor X.
In 1895, no iunile de atom i de molecul erau aproape universal
adoptate datorit lucr rilor lui
Studiile asupra electricit ii au furnizat, n paralel, cuno tin e noi, n special n privin a propag rii undelor electromagnetice, dar experien ele n domeniul desc rc rilor n gaze rarefiate, de i numeroase, nu- i dezv luiser nc secretele; abia n 1897 J.J.Thomson descoper electronul i i m soar , c iva ani mai t rziu, sarcina-care se dovede te egal cu cea a unui ion univalent- ceea ce i permite s l considere ca 'un adev rat atom de electricitate'.
Cu doi ani mai devreme (1895), W.C.R ntgen descoperise radia iile X. In laboratorul s u de la W rzburg, R ntgen a observat pentru prima dat radia ii invizibile ce se propag n afara unui tub de radia ii catodice acoperit cu h rtie neagr , radia ii capabile s provoace luminescen a unui ecran acoperit cu platinocianur de bariu. El a denumit aceste radia ii, de natur necunoscut , radia ii X. Cercet rile lui R ntgen au continuat de fapt numeroase cercet ri ntreprinse mai nainte asupra radia iilor catodice, n special de Villard, Crookes i Wiechert. Jean Perrin dovedise c radia iile catodice sunt formate dintr-un fascicul de electroni rapizi. In afar de ac iunea lor asu-
pra ecranelor fluorescente, R ntgen a stabilit c noile radia ii necunoscute impresioneaz placa fotografic i ionizeaz aerul nconjur tor. El a dovedit, de asemenea, c radia iile X sunt capabile s str bat grosimi de materiale relativ mari, fiind absorbite mai mult de elementele cu greutate atomic mare. Folosind aceast proprietate, el a ob inut primele radiografii ale scheletului unor fiin e vii.
S-au ob inut progrese rapide n construc ia tuburilor, prin introducerea anticatodului i apoi prin punerea la punct a tuburilor cu catod cald de c tre Coolidge (1913), dup descoperirea emisiei de electroni a corpurilor incandescente.
Dup cercet rile lui R ntgen, nu au mai fost ob inute rezultate fundamentale n domeniul radia iilor X dec t dup 15 ani, n urma lucr rilor lui von Laue, care a ar tat c radia iile X reprezint o radia ie electromagnetic cu lungime de und mic i ale lui Moseley, care a stabilit leg tura dintre spectrele caracteristice de linii ale radia iilor X i structura electronic a atomilor. Descoperirea radia iilor X a avut, pe l ng aplica iile sale imediate, o foarte mare importan pentruu toat dezvoltarea ulterioar a fizicii.
Descoperirea radia iilor X i a comport rii acestora i-a f cut pe savan ii vremii s ncerce s elaboreze unele modele ale structurii atomului. La nceputul secolului XX, J. Perrin (1901), Lenard (1903) i Nagaoka (1904) au propus un model dinamic cu sar-
cinile pozitive concentrate n nucleu i nconjurate de particule negative. In 1904, J. J. Thomson a propus un nou model de atom static. Atomul ar avea forma unei sfere nc rcate uniform cu sarcini pozitive, iar n interior s-ar g si electronii astfel nc t atomul s fie neutru.
O imagine simpl i comod a atomului, clasic ast zi, este cea a modelului lui Rutherford-Bohr (1911-1913), n care atomul este reprezentat printr-un nucleu central nc rcat pozitiv, nconjurat de electroni ce graviteaz pe orbite circulare sau eliptice, ale c ror centre, sau unul dintre focare, este ocupat de nucleu. Ansamblul este neutru din punct de vedere electric; pentru un atom cu num r atomic Z, sarcina nucleului este +Ze. Pe aceste orbite, electronii n mi care nu radiaz energie, dar c nd un electron trece de pe o orbit pe alta, apare un schimb de energie cu mediul exterior, efectuat n general prin intermediul unui foton, a c rui frecven este dat de hn = Ei - Ef, unde Ei i Ef sunt energiile de leg tur ale electronului n starea ini ial i cea final
Radia iile X caracteristice sunt astfel produse prin tranzi ii electronice ntre p turile cele mai apropiate de nucleu. Ciocnirile unor electroni, cu energie suficient de mare, cu atomii unei inte au drept rezultat apari ia unor radia ii X caracteristice, datorit smulgerii unui electron din straturile interne ale anumitor atomi. Dar ncetinirea particulelor accelerate i, n special, a electronilor care trec prin vecin tatea centrelor cu sarcin , produce o radia ie electromagnetic , numit radia ie de fr nare, care explic spectrul continuu de radia ii X.
In timp ce structura atomului putea fi considerat cunoscut n limite rezonabile, structura nucleului r m nea nc o enigm n ciuda eforturilor considerabile efectuate de numero I fizicieni. Nucleul este un sistem complex, format din protoni i neutroni. Ca i cortegiul electronic al atomului, nucleul se poate g si ntr-o stare de energie care nu corespunde st rii de energie minim ; el sufer atunci o evolu ie spre aceast stare, nso it de o eliberare de energie. Anumite nuclee pot r m ne mult timp n aceast stare metastabil (p n la mai multe sute de milioane de ani) i s sufere la un moment
dat o transformare: se spune c acestea sunt radioactive. Energia este eliberat sub forma unor diverse radia ii i tocmai observarea acestor radia ii pentru prima dat de
H. Becquerel, n 1896, a condus la descoperirea radioactivit ii.
Descoperirea radioactivit ii.
Descoperirea radioactivit ii de c tre Henri Becquerel (1896) a urmat rapid dup cea a radia iilor X. Ea a fost pus n eviden de ac iunea radia iilor asupra pl cii fotografice.
S-a spus de multe ori c descoperirea lui Becquerel se datoreaz norocului sau nt m-
pl rii. De fapt, norocul lui Becquerel const n faptul c i-a ndreptat aten ia asupra s rurilor de uraniu, pe care de altminteri le cuuno tea foarte bine. Dar trebuie, de asemenea, s admir m i grija excep ional pe care o lua n cursul cercet rilor sale. Astfel, Becquerel i-a expus s rurile de uraniu la soare pentru a le face fluorescente; c nd, n lipsa soarelui, el a l sat ntr-un dulap o sare de uraniu n apropierea unei pl ci fotografice, a avut precau ia de a o developa nainte de a- i continua experien ele. Constat nd c aceasta a fost impresionat , el a ntrev zut c nu era nici o leg tur ntre fluorescen i aceast ac iune fotografic
Becquerel i-a continuat cercet rile i a ar tat c 'radia iile uranice' sunt
capabile, ca i radia iile R ngen, s fac aerul nconjur tor conductor. Originea
acestei energii degajate constant a intrigat pe
In 1897, efectu nd m sur ri precise, Marie Curie observ cur nd c radia ia constituie o proprietate specific a atomului de uraniu: intensitatea sa este propor ional cu cantitatea de uraniu con inut n sare. Ea studiaz i al i compu i care posed aceea i proprietate i arat c thoriul emite o radia ie analoag celei a uraniului. Ea propune denumirea de 'radioactive' pentru substan ele care emit radia iile lui Becquerel i denumirea de 'radioactivitate' pentru noua proprietate, ca i cea de 'radioelemente' pentru elementele care o posed . In cursul acestor cercet ri, examin nd nu numai s ruri preparate n laborator, ci i minerale, ea constat c unele dintre acestea prezint o radioactivitate anormal , mult superioar celei ce putea fi prev zut dup con inutul n uraniu sau n thoriu. Pentru a explica acest fapt, M. Curie a emis ipoteza c trebuie s existe o substan cu mult mai radioactiv dec t uraniul sau thoriul. Eforturile sale au dus la descoperirea poloniului i a radiului.
Dezvoltarea cercet rilor de radioactivitate.
Din 1901, P. i M. Curie, H. Becquerel, J. Perrin au propus printre alte ipoteze i pe cea de a interpreta radioactivitatea ca o transformare atomic nso it de degajarea unei energii poten iale con inute n atomul radioactiv. In mai 1903, n urma experien elor lor asupra emana iilor, Rutherford i Soddy au admis c radioactivitatea se datoreaz unei dezintegr ri atomice.
La nceputul anului 1903, P. Curie i A. Laborde au pus n eviden degajarea spontan de c ldur de c tre radiu. Aceast descoperire era foarte important , deoarece dovedea c energia degajat , de i foarte mic n valoare absolut , este at t de mare n raport cu masa atomului, nc t nu poate proveni dec t dintr-o transformare a n i i atomilor de radiu.
In sf r it, tot n 1903, Ramsay i Soddy au ar tat c radiul produce continuu heliu. Pentru prima dat , un element chimic, heliul, se ob inea dintr-un alt element, radiul; acest argument a jucat un rol decisiv n favoarea teoriei transmuta iilor substan elor radioactive.
Radia iile. Primele metode de detectare.
Foarte rapid s-a reu it separarea radia iilor substan elor radioactive n trei categorii, a, b i g, i cunoa terea caracteristicilor esen iale ale acestora. E. Rutherford a ar tat, dup 1899, c uraniul emite cel pu in dou tipuri de radia ii, cu puteri de p trundere foarte diferite. El a denumit componenta pu in p trunz toare 'radia ie a' iar componenta mai p trunzatoare 'radia ie b'. In 1909, Rutherford i Royds au demonstrat c radia iile a sunt atomi de heliu dublu ioniza i. P. i M. Curie au stabilit c sarcinile transportate de radia iile b sunt negative. M sur ri succesive au stabilit c sarcina unei radia ii b este egal cu sarcina elementar i astfel aceste radia ii au fost considerate drept electroni. P. Villard a observat, pentru prima dat radia ii a c ror putere de p trundere era mult superioar celei a rdia iilor b, numindu-le 'radia ii g Aceste radia ii, care nu sunt deviate de c mpurile electrice sau magnetice, au o putere mic de ionizare i sunt considerate radia ii electromagnetice.
Dup descoperirea radioactivit ii s-a observat c radia iile emise impresioneaz pl cile fotografice, produc fluorescen a diferitelor substan e i fac gazele bune conductoare de electricitate.
S-a n eles rapid interesul unei num r ri a radia iilor, adic a detect rii individuale a fiec rei particule. Crookes, Elster i Geitel au ar tat, n 1903, c dac radia iile a ating un ecran fluorescent, ca cel de platinocianur de bariu sau de sulfur de zinc, acesta produce n punctul de inciden o luminescen de foarte scurt durat . Aceast metod de num rare a fost mult folosit , permi nd descoperiri fructuoase.
Incep nd din 1911, fizicienii au avut la dispozi ie, datorit lui C. T. R. Wilson, un instrument minunat de observare: camera cu detent , numit mai des camera Wilson. Acest aparat permite observarea traiectoriilor individuale ale particulelor ionizate- radia iile a sau b
In 1913, a fost pus la punct de c tre Rutherford i Geiger un dispozitiv de
num rare electric a particulelor individuale.
Perfec ionat n 1928, mai ales de M ller, el este folosit i acum n numeroase ocazii sub
denumirea de contor Geiger-M ller.
Dac o particul ionizat traverseaz un mediu gazos n care exist un c mp electric intens, ionii crea i de trecerea particulei, n deplasarea sa rapid , pot provoca la r ndul lor ionizarea gazului, declan nd un proces cascad , care permite ob inerea unui impuls electric u or de detectat.
Efectele biologice ale radia iilor.
Dup Walkhoff i Geitel, P. Curie i Becquerel au observat c radia iile produse de radiu provoac arsuri.
P. Curie i-a expus voluntar bra ul la ac iunea unei s ri de radiu. Inc din 1904, medicul francez Danlos efectua primele ncerc ri de utilizare terapeutic a radiului la cancerul pielii. De atunci, importan a acestor aplica ii a crescut continuu. Utilizarea medical a radia iilor, fie sub form de surse externe, fie sub form de surse interne, a primit denumirea de curieterapie.
Inc din acei ani, au fost ncercate diferite experien e pentru a studia influen a radioactivit ii asupra cre terii plantelor. Aceste efecte au dovedit foarte cur nd necesitatea de a lua un num r de precau ii la manipularea surselor radioactive, pentru a evita pericolele legate de nghi irea substan elor radioactive i de ac iunea radia iilor penetrante provenite din exterior.
Descoperirea nucleului. Izotopii.
Prin 1911, se tia c electronii intr n constitu ia atomilor, iar Barkla demonstrase c fiecare atom con ine aproximativ A/2 electroni.
Experien ele lui Rutherford au permis determinarea existen ei nucleului atomic precum i determinarea ordinului de m rime al dimensiunilor nucleului i au furnizat primele manifest ri ale for elor nucleare, provocate de om.
In aceea i perioad (1913), J. J. Thomson a descoperit izotopii stabili. Studiind masa exact a atomilor de neon, el a observat dou specii de atomi, de mas i 22, i a emis ipoteza c neonul este format din dou gaze cu propriet i chimice aproximativ identice, pe care F. Soddy le-a denumit izotopi. Aceste cercet ri au fost reluate n 1919 de F. W. Aston, care a stabilit existen a mai multor izotopi stabili la un mare num r de elemente.
Transmuta iile radioactive.
Transmuta iile corespund faptului c un nucleu este capabil s se transforme atunci c nd este supus bombard rii cu particule capabile s p trund n interiorul lor. Aceast descoperire capital se datoreaz lui E. Rutherford, care a observat c prin bombardarea azotului cu radia ii a, apar ioni de hidrogen sau protoni.
El a considerat c ace ti protoni sunt emi i de nucleu atunci c nd particula a poate interac iona cu el. Foarte rapid s-au precizat i caracteristicile acestor transmuta ii; s-a constatat c energia cinetic a protonilor emi i poate s fie mai mare dec t cea a particulei a incidente i c , prin urmare, energia intern a nucleului intervine n fenomenul de transmuta ie radioactiv . In 1923, P. M. S. Blackett a observat, prin fotografierea a 400.000 de traiectorii n camera Wilson, opt cazuri de transmuta ie i a stabilit, din studiul traiectoriilor, c particula a este captat de nucleu n cursul procesului de transmuta ie.
S-a admis imediat c principiile de conservare a energiei i a cantit ii de mi care sunt satisf cute n cursul transmuta iilor radioactive i, n particular, c energia intern corespunde varia iei de mas a sistemului.
B. Radioactivitatea i fizica nuclear ntre 1930 i 1940.
Descoperirea neutronului.
Dup realizarea primei transmuta ii nucleare provocate de Rutherford n 1919, numero i cercet tori s-au consacrat studiului acestei noi ramuri a tiin ei i au demonstrat posibilitatea transmut rii unui mare num r de elemente u oare, bombardate cu radia iile a ale poloniului. Slaba imtensitate a surselor folosite i raritatea fenomenului nu au permis identificarea elementelor formate i numai un studiu balistic putea demonstra de exemplu c n aluminiul bombardat cu radia iile a ale poloniului, se formeaz siliciu, n urma expulz rii unui proton cu energie mare.
In 1930, W. Bothe i Becker au ar tat c un anumit num r de nuclee u oare, n special beriliul, litiul i borul, emit o radia ie foarte p trunz toare c nd sunt bombardate cu radia iile a ale poloniului. Aceast radia ie era capabil s traverseze grosimi considerabile de materie, de exemplu mai mul I centimetri de plumb, f r o atenuare important . Folosind calculele lui Klein i Nishina, Bothe i Becker au propus explicarea acestei mari puteri de p trundere prin natura electromagnetic a radia iei respective i printr-o energie ridicat (14 MeV n cazul beriliului) cu mult superioar radia iilor cunoscute i foarte surprinz toare n acea vreme.
'Radia ia beriliului' a lui Bothe i Becker a condus la numeroase cercet ri experimentale, dar abia peste doi ani Ir ne Curie i Fr d ric Joliot aveau s descopere o proprietate i mai surprinz toare a acestei radia ii. Datorit cantit ilor mari de radio-
elemente naturale disponibile la Institutul Radiului din Paris, ei au putut prepara surse intense de poloniu pentru a studia radia ia lui Bothe i Becker. Folosind ca detector o camer de ionizare, cu perete sub ire de aluminiu, ei au putut observa o cre tere considerabil a curentului de ionizare n cazul intercal rii unei foi e sub iri dintr-o substan hidrogenat (celofan) ntre surs i detector. Dup cum au ar tat experien ele de absorb ie, acest efect se datora unei radia ii secundare emise de substan a hidrogenat , care era complet absorbit de un ecran foarte sub ire de aluminiu. Propriet ile acestei radia ii secundare erau identice cu cele ale 'radia iilor H' (ptotoni), ceea ce avea s fie confirmat i prin observarea protonilor de recul, n camera Wilson.
Dup 1920, Rutherford a luat n considerare posibilitatea existen ei unei particule neutre de mas apropiat de cea a protonului, pe care a denumit-o 'neutron'. Reluat ulterior i de c tre al i fizicieni, aceast ipotez nu avea, n 1932, nici o baz experimental sau teoretic . La Laboratorul Cavendish, unde se n scuse aceast ipotez , se terminase tocmai atunci de pus la punct un nou detector: camera de ionizare cu impulsuri.
James Chadwick a reu it s demonstreze, cu ajutorul acestui detector, c nucleele de recul, produse prin ac iunea radia iei lui Bothe i Becker asupra diferitelor elemente, provin din ciocniri elastice cu o particul neutr , de mas apropiat de cea a protonului.
Descoperirea experimental a neutronului de c tre J. Chadwick a permis introducerea unei noi componente n nucleele atomice i a eliminat principalele dificult i ale modelelor nucleare precedente. Un nucleu de sarcin Z i de greutate atomic A este deci format din Z protoni i din A-Z neutroni. Modelul atomului neutru, format din nucleu i din cortegiul s u de Z electroni, nu mai necesita prezen a greu de admis a electronilor nucleului, iar descoperirea neutronului furniza baze solide viitoarelor modele nucleare.
Radioactivitatea artificial
In anumite cazuri, fenomenul materializ rii unui foton poate avea loc n domeniul nucleului emi tor. Aceast 'materializare intern ' a fost observat de I. Curie i F. Joliot n cursul studierii emisiei electronilor pozitivi de c tre beriliul bombardat cu particulele a ale poloniului. Teoria acestui fenomen, elaborat la scurt timp de Oppenheimer i Nedelsky, concord n ceea ce prive te num rul de perechi e e¯, observate experimental. Dimpotriv , emisia de electroni pozitivi de c tre fluor, aluminiu, sodiu i bor, iradiate, nu a putut fi explicat prin acest fenomen, iar electronii respectivi au fost denumi I de I. Curie i F. Joliot 'electroni pozitivi de transmuta ie'. Transmuta ia acestor elemente sub ac iunea particulelor este nso it n general de emisia unui proton de mare energie, dar n anumite cazuri sunt emi i un neutron i un electron pozitiv (pozitron); aceste dou reac ii nucleare diferite conduc la acela i element stabil. Studiul bilan ului energetic al celor dou reac ii a permis lui I. Curie i F. Joliot o nou determinare a masei neutronului i demonstrarea faptului c , spre deosebire de ceea ce se presupunea, aceast mas este superioar celei a protonului.
Fisiunea uraniului.
In reac iile de captur studiate de Fermi n 1934, un neutron este capturat de nucleul iradiat, iar nucleul format elibereaz o parte din energia acumulat , emi nd o radia ie g. Noul nucleu este deci un izotop al substan ei ini iale i, n majoritatea cazurilor, acest izotop este instabil datorit excesului de neutroni, ceea ce conduce la dezintegrarea lui cu emisia unui electron negativ. In final, se ob ine deci un nucleu cu sarcin pozitiv mai mare, care apar ine unui element din c su a superioar din tabelul periodic. Acest proces, care constituie o regul pentru toate nucleele grele, a c p tat un interes deosebit odat cu aplicarea lui la uraniu.
Fermi, Rasetti i d'Agostino au efectuat acast experien i au g sit patru radioelemente noi, dintre care ultimele dou nu erau izotopii nici unui element vecin al uraniului.
Reac iile de fisiune n lan i energia nuclear
In momentul form rii lor, fragmentele de fisiune au un exces considerabil de neutroni fa de nucleele elementelor medii stabile. O parte din ace ti neutroni se transform n protoni, n cursul unor emisii consecutive, dar mai mul i fizicieni au presupus c trebuia s existe i o emisie a unei p r i dintre neutronii exceden i chiar n momentul fisiunii. Existen a acestui fenomen a fost demonstrat independent de Fermi, Anderson i Nanstein, Szilard i Zinn, F. Joliot, Halban i Kowarski i s-a stabilit c num rul mediu de neutroni emi i pe fisiune variaz de la 2 la 3,5.
Astfel, nc din 1939, se p rea c s-a g sit o solu ie n problema eliber rii energiei nucleare. Intr-adev r, fisiunea este nso it de eliberarea unei cantit i considerabile de energie: energia cinetic a fragmentelor de fisiune i radioactivitatea b consecutiv n timp ce emisia de neutroni secundari poate permite ntre inerea fisiunii ntr-o mas de uraniu. Se prevedeau totu i mari dificult i pactice, deoarece neutronii rapizi emi i n momentul fisiunii trebuiau s fie ncetini i pentru a putea fi absorbi i apoi de un nucleu de uraniu 235, cu un randament pu in mai mare dec t unu.
In Statele Unite, Fermi, Szilard, Wigner i Zinn au studiat la Universitatea Columbia i apoi la Princeton o re ea format din uraniu i grafit. In cele din urm , prima pil atomic , construit la Chicago sub direc ia lui Fermi, avea s devin utilizabil la 2 decembrie 1942. Aceasta a fost data declan rii primei reac ii de fisiune controlat
C. Reac iile nucleare.
Primele acceleratoare de particule.
Descoperirea primelor transmuta ii nucleare n 1934, a neutronului n 1932, i a radioactivit ii artificiale n 1934 au avut loc prin folosirea ca proiectile a particulelor a provenind din surse naturale.
Inc de la primele cercet ri experimentale i teoretice asupra transmuta iilor s-a dovedit interesant accelerarea artificial a particulelor cu ajutorul tensiunilor nalte. In acest fel, ar fi fost posibil folosirea i a altor proiectile dec t particulele a, i n special a protonilor, care sunt particule mai simple. Intensit ile particulelor astfel ob inute ar fi devenit rapid cu mult mai mari dec t cele furnizate de sursele naturale cele mai puternice din acea vreme. Se pute spera n posibilitatea ob inerii unor energii mai mari dec t cele ale radia iilor a naturale, datorit perfec ion rii acceleratoarelor. In c iva ani, rezultatele acestor obiective au dep it orice a tept ri. Eforturile au fost efectuate simultan n numeroase laboratoare. In 1932 J. D. Cockroft i E. T. S. Walton, n Marea Britanie, au reu it s realizeze pentru prima dat transmuta ii nucleare cu protoni accelera i la 700.000 eV.
In 1928-1930, Lauritsen, n Statele Unite, a ob inut o tensiune foarte nalt prin intermediul unor transformatoare montate n cascad . In 1931-1932, Van de Graaff a realizat un accelerator electrostatic ce permitea nc rcarea unei sfere metalice goale cu ajutorul unei benzi n mi care.
Adev rata revolu ie din acest domeniu a fost adus ns de instala iile de accelerare periodic n care aceea i tensiune de nalt frecven este aplicat de un mare num r de ori pentru a accelera un fascicul de particule prin mici aporturi succesive de energie. E. O. Lawrence I M. S. Livingston, de la Universitatea din California, au realizat, n 1932, primul ciclotron care furniza protoni de 1,2 milioane eV: particulele accelerate ntre cei doi electrozi urmeaz o traiectorie n spiral i pot fi extrase cu ajutorul unui electrod de deviere.
Tot n aceea i perioad (1929-1934) au fost construite i primele acceleratoare liniare de c tre Wider e, D. H. Sloan i al ii, unde o tensiune de nalt frecven se aplic succesiv unor electrozi (cilindri) alinia i dup aceea i ax (coaxiali). Lungimea acestor cilindri cre te cu viteza particulelor.
Aspecte generale ale reac iilor nucleare.
Radioactivitatea i reac iile nucleare reprezint principalele dou tipuri de procese care permit explorarea structurii nucleului, deducerea diverselor lui caracteristici, cunoa terea mi c rilor interne i abordarea naturii for elor nucleare. Reac iile nucleare permit n principiu o analiz mai aprofundat deoarece, spre deosebire de radioactivitate, ele permit experimentatorului s varieze anumi i parametri.
Diverse tipuri de reac ii nucleare.
Reac iile cele mai simple corespund emisiei unei singure particule secundare; la nceput, ele erau dealtminteri singurele reac ii care puteau fi studiate datorit micilor energii disponibile.
Experimentatorii i teoreticienii au trebuit s introduc nc de la nceput o distinc ie ntre proiectilele neutre (neutronii) i proiectilele nc rcate (protoni, deuteroni, particule a); neutronii nu nt mpin nici o dificultate la p trunderea n nucleu, deoarece nu sunt supu I dec t unor for e nucleare de atrac ie; dimpotriv , particulele nc rcate, pentru a p trunde n nucleu, trebuie s nving o barier de poten ial datorat for elor coulombiene de respingere.
Modele de reac ii nucleare.
Pentru a explica reac iile nucleare, au fost elaborate diferite modele. Aceste modele reu esc s explice corect o parte a unei realit i extrem de complexe; ele sunt n general valabile ntr-un anumit domeniu de energii i pentru anumite tipuri de reac ii. Procesele reale corespund f r ndoial ansamblului de caracteristici prev zute de aceste modele. Doar cunoa terea exact a for elor nucleare i a propriet ilor materiei nucleare va permite calculul precis al diferitelor reac ii nucleare, cu condi ia s tim s rezolv m din punct de vedere matematic problema.
In 1936, Niels Bohr, Breit i Wigner, ca i Frenkel i mai t rziu Weisskopf, au elaborat modelul nucleului compus, care permite interpretarea unui mare num r de reac ii nucleare. Nucleul compus se formeaz atunci c nd particula incident ajunge la acea distan de nucleu la care ac ioneaz for ele nucleare.
Dac durata tarvers rii nucleului de c tre nucleonul incident este relativ lung fa de durata rearanj rii din nucleul int , ac iunea acestui nucleu se poate descrie printr-un poten ial mediu, folosindu-se n acest caz modelul optic introdus de Feshbach, Porter i Weisskopf n 1954. Conform acestui model, nucleul este analog unei sfere de cristal transparente; asememeni unei radia ii luminoase, particula incident poate fi sau reflectat n sfera de cristal, sau absorbit
Tipuri speciale de reac ii nucleare.
In reac iile care conduc la fisiune, particula incident aduce nucleului suficient energie pentru ca acesta- n urma unor mi c ri de vibra ie- s se g seasc ntr-o stare deformat (nesferic ) instabil , for ele coulombiene de respingere ntre protoni dep esc n acest caz for ele nucleare de atrac ie, iar nucleul se rupe n dou fragmente ce se dep rteaz cu mare vitez unul de altul. Aceast explica ie a fisiunii, pe baza modelului pic turii lichide, a fost dat de N. Bohr i Wheeler n 1939.
Aceste reac ii, care eliberez o mare cantitate de energie, stau la baza func ion rii reactorilor nucleari i a bombelor atomice.
D. Aplica ii practice ale fenomenelor din fizica nuclear
Producerea energiei electrice cu ajutorul centralelor nucleare.
Centrale de tip CANDU
Reactoarele CANDU sunt proiectate de Atomic Energy Canada Limited (AECL) ca o
alternativ la alte tipuri de reactoare care utilizeaz uraniu slab mbog it (2-5% U 235).
Reactoarele de tip CANDU pot fi utilizate i de c tre statele unde nu se pot realiza recipiente de foarte nalt presiune. Combustibilul reactoarelor CANDU este format din aglomerat de dioxid de uraniu con in nd uraniu natural (0.7% U 235).
Instala ia const dintr-un reactor orizontal (calandru) str b tut de o serie de tuburi n care se introduc barele de combustibil i de alte tuburi prin care circul agentul de r cire [(deuteriu) D2O]. In jurul acestora circul tot deuteriu av nd rol de moderator. Moderatorul este o substan ce intervine n procesul de fisiune, cu ajutorul c reia se poate controla strict cantitatea de neutroni rezulta i din reac ia termonuclear pentru a se evita declan area unei reac ii n lan necontrolabile i cu efecte dezastruoase ( vezi Cernob l ). Moderatorul i circuitul de r cire constituie sisteme separate. O ,,celul '' a reactorului este alc tuit din cinci tuburi de presiune separate.
Fiecare tub con ine o singur bar de combustibil nuclear ( uraniu ) lung de 0.5m i n greutate de 20 kg. Scufundate n apa grea pentru r cire. Fiecare celul constituie un minireactor mult sub masa critic , bine n eles. Dup cum am mai spus, reactorul este a ezat orizontal con in nd aceste celule. Ma inile de alimentare trec pe la fiecare miez, una introduc nd combustibil nou i alta sco ndu-l pe cel uzat din celulele nvecinate. ase p n la zece bare sunt nlocuite zilnic. Astfel fluxul axial de energie din reactor poate fi condus corect.
Miezul termo-hidrodinamic al reactoarelor CANDU este mp r it n dou par i egale printr-un perete vertical situat n mijlocul s u. Fiecare parte are un circuit separat de r cire cu ap grea sub presiune plasat la cele dou capete ale reactorului.
Imp r irea miezului n dou circuite, plus sub mp r irea n cinci tuburi de presiune separate realizeaz o considerabil reducere a posibilitatii aparitiei unor eventuale accidente ,,LOCA'' (prin pierderea agentului de r cire).
Pompele de r cire transport deuteriul ( D2O ) din reactor n schimb torul de c ldur ntr-un circuit nchis, strict etan . In schimb torul de c ldur ( generatorul de abur) energia agentului primar de r cire preluat din reactorul nuclear, este cedat agentului secundar, apa obi nuit , care se transform n abur sub presiune ce se folose te pentu ac ionarea unei turbine. Aceasta, la r ndul ei, ac ioneaz un generator electric.
In acest fel, energia nuclear se transform n final n energie electric , asemeni celei produse de termo i hidrocentrale.
Laserul.
Cuv ntul LASER este acronimul expresiei 'ligth amplification by stimulated emission of radiation' (amplificator de lumin prin emisia stimulat a radia iei). Laserul este un dispozitiv care produce i amplific un fascicul ngust de lumin coerent . Atomii emit radia ii . Cel mai banal exemplu sunt atomii excita i de neon din l mpile fluorescente. Normal, ele transmit lmina lor n toate direc iile i asincron n timp. Astfel rezult o lumin nefocalizat , adic fotonii sunt emi i n toate direc iile i cu lungimi de und diferite. Principiul producerii luminii coerente - cu una sau cu un num r controlat de lungimi de und , orientat ntr-o direc ie precis - este de a g si exact acei atomi cu exact acela i mecanism intern de stocare i de a g si un mod ca ei s ,,coopereze'' pentru a elibera, sincron un fascicul de fotoni ntr-o direc ie unic
Stimularea atomilor sau a moleculelor
Intr-un laser, atomii sau moleculele unui cristal, cum ar fi rubinul sau granatul - sau un gaz, lichid, sau alt substan - sunt excitate n ceea ce se nume te 'laser cavity' care poate s fie, de exemplu, o bar de rubin ce este prev zut la capetele opuse cu dou oglinzi semitransparente. Excitarea ini ial se realizeaz cu ajutorul unei l mpi cu xenon ce nconjoar cavitatea. Fotonii emi i de lamp determin trecerea electronilor pe orbite de energie mai mic i o emisie de fotoni. Acest proces se nume te 'emisie stimulat '. Fiecare foton emis se deplaseaz n acela i timp (coerent) cu fotonul care a stimulat emisia sa. Aceast pereche poate s stimuleze apoi emisia altor fotoni de c tre oricare alt atom cu care se ciocne te. La un laser, majoritatea electronilor prezen i sunt n stare excitat . Prin reflexii succesive pe suprafa a oglinzilor de la extremit i, acest proces se amplific , av nd drept rezultat eliberarea la un moment dat n exterior a unui fascicul de lumin coerent , monocromatic i sinfazic. Procesul din interiorul cristalului este foarte asem n tor cu o reac ie n lan
Aplica ii
Realizate pentru prima oar n 1960, domeniul laserilor i-a extins sfera de aplica ii odat cu punerea la punct a laserilor cu semiconductori care prin dimensiunile lor foarte reduse se pot folosi ntr-o gam foarte mare de aplica ii.
Laserii de putere cu medii solide, lichide sau gazoase se folosesc n industrie pentru t ieturi i g uriri de precizie n metale sau alte materiale, n medicina pentru chirurgia de precizie pe creier, pentru opera ii pe ochi ( lipirea retinei, corectarea miopiei), n meteorologie pentru m sur tori asupra cantit ii de particule poluante din atmosfera, n telecomunica ii pentru transmisii de date, n special prin fibre optice. De asemeni au foarte multe aplica ii militare at t pentru distrugerea direct a unor inte (cu laseri av nd energii foarte mari) c t i pentru ghidarea unor proiectile, bombe sau rachete spre int
De asemeni, o aplica ie foarte interesant a laserilor este posibilitatea realiz rii unor imagini virtuale a obiectelor n spa iu, cu ajutorul tehnicilor i dispozitivelor holografice.
Este interesant de a men iona faptul c principiile teoretice ale tehnicilor holografice au fost elaborate de fizicianul Denis Gabor nainte de inventarea dispozitivelor de producere a luminii coerente, laserul, care este dispozitivul strict necesar pentru realizarea hologramelor.
Marea familie a laserilor de mic putere cu semiconductori au, de asemeni o gam foarte larg de aplica ii, cum ar fi : dispozitivele de citire a codurilor de bare, scanerele, imprimantele laser, CD-playerele etc.
Bomba atomic
1.SCURT ISTORIC
In data de 2 august 1939 pu in nainte de nceperea celui de-al 2-lea r zboi mondial, Albert Einstein trimite o scrisoare pre edintelui USA, Franklin. D. Roosevelt prin care el i numero i al i savan i l avertizeaz c n Germania nazist se lucreaz la purificarea uraniului 235 ( U-235 ) pentru a se construi o bomb atomic . De pu in timp n USA se demarase de asemeni proiectul Manhattan care avea drept scop cercetarea, experimentarea i producerea unei bombe atomice. Problema cea mai complicat era producerea unei cantit i suficiente de U-235 mbog it. Mari uzine-laborator au fost construite n acest scop la Oak Ridge, Tennessee. Aici i-au desf urat activitatea H. C. Urey i al i savan i de la Columbia University pun nd la punct principiul difuziunii gazoase. Urm nd acest procedeu, Ernest. O. Lawrwnce (inventatorul ciclotronului ), lucr nd n laboratoarele universit ii Berkley-California, a pus la punct metoda separ rii magnetice a izotopilor U-238 i U-235. In ase ani, 1939-1945, proiectul Manhattan a absorbit mai mult de dou miliarde de dolari. Metoda rafin rii uraniului a fost definitivat i s-a trecut la realizarea primei bombe. La acestea i-au adus aportul cei mai mari savan i ai vremii. Printe cei care au avut o foarte mare contribu ie a fost i J. Robert. Oppenheimer.
El a fost conduc torul proiectului Manhattan. Totul a mers foarte repede. La ora 05:29:45 n ziua de 16 iulie 1945, la baza militar Jemez Mountains din nordul statului New Mexico, Gadget (numele de cod al primei bombe atomice) exploda, marc nd nceputul erei armelor nucleare. Lumina exploziei s-a v zut pe o raz de 120 mile. Imediat dup exeperien , v z nd efectele cumplite ale exploziei, o parte din savan ii participan i au semnat o scrisoare de avertizare i protest dar n-au fost lua i n seam
Aceast cumplit arm a fost utilizat de dou ori n cel de-al 2-lea r zboi mondial. Ambele explozii au avut loc deasupra unor ora e japoneze. O bomb cu uraniu n greutate de 4.5 tone ,,alintat '' Little Boy a fost lansat asupra localit ii Hirosima n data de 6 august 1945, ora 08:15:00. Ea a explodat la o n l ime de 240 m. deasupra solului fiind lansat de pe avionul al c rui nume a intrat n istorie : Enola Gay.
66.000 de oameni au murit pe loc iar al i 69.000 au fost r ni i de explozia atomic av nd puterea de 10 kilotone [puterea echivalent a 10.000 tone de explozibil conven ional (trinitrotoluen)].
In data de 09 august 1945, o a doua bomb a fost lansat asupra localit ii Nagasaki. Aceasta (Fat Man) era o bomb cu plutoniu av nd o putere de 10 kilotone. 39.000 de oameni au fost omor i pe loc iar al i 25.000 r ni i.
Estim rile ulterioare ale fizicienilor au ar tat c efectele produse de bombe s-au datorat unei p r i de 0.1% din puterea real a exploziilor.
2 . ZONELE AFECTATE IMEDIAT DUP O EXPLOZIE NUCLEAR
Raport ndu-ne la epicentrul exploziei ( puctul n care are loc detona ia) se disting um toarele zone concentrice:
-a. Punctul de vaporizare
Orice urm de substan este vaporizat de energia exploziei. 98% mortal Suprapresiunea creeat : 25 psi. Viteza suflului : 320 km/h.
-b. Zona de distrugere total
Orice construc ie de pe suprafa a pam ntului este distrus . 90% mortal . Suprapresiune creeat : 17 psi. Viteza suflului: 290km/h.
-c. Zona de explozie puternic
Uzinele i alte construc ii de mari dimensiuni sunt distruse, de asemeni podurile de mari dimensiuni. 65% mortal . 30% r niri grave. Suprapresiune: 9 psi. Viteza suflului: 260 km/h.
-d. Zona de ardere puternic
Totul este incendiat. Popula ia din zon se sufoc datorit lipsei de oxigen provocat de incendii. Mortalitate 50%. Suprapresiune: 6 psi. Viteza suflului: 140 km/h.
-e. Zona de ardere i distrugere puternic
Locuin ele sunt puternic afectate. Popula ia se sufoc . Supravie uitorii sufer arsuri de gradul 2 i 3. Mortalitate: 15%. 50% r ni i. Suprapresiune 3 psi. Viteza suflului: 98 km/h
Efectele de iradiere pentu o bomb de 20 megatone explod nd n aer la 5000m.
- Zona a: 8.75 mile
- Zona b: 14 mile
- Zona c: 27 mile
- Zona d: 31 mile
- Zona e: 35 mile
De asemeni exploziile nucleare produc deregl ri puternice in re elele de telecomunica ii datorit fenomenelor de ionizare ce apar.
3. STRUCTURA UNEI BOME ATOMICE
Exist dou tipuri de explozii nucleare :
Explozia prin fisiune direct , necontrolat , care elibereaz brusc o mare cantitate de energie ( E = mc² ) folosind U-235, de exemplu.
Explozia prin fuziune nuclear , ce este amorsat cu ajutorul energiei unei reac ii de fisiune, care dezvolt energia necesar amors rii unei reac ii de fuziune necontrolat (bomba cu hidrogen) a c rei energie rezult din reac ia de fuziune a diver i izotopi ai hidrogenului cu degajare de heliu.
Se tie c n timpul ,,ruperii'' atomului de U-235, se degaj o mare cantitate de energie, sub form de c ldur i radiatii g (care sunt printre cele mai penetrante i periculoase ).
Mecanismul producerii exploziei nucleare const n declan area, la un moment dat, a unei reac ii n lan care se las s evolueze necontrolat. Cantitatea de neutroni produs la amorsarea fisiunii, cre te n progresie geometric
Cantitatea minim de substan necesar declan rii reac iei n lan se nume te 'masa supracritic i depinde de puritatea materialului folosit. Pentru U-235 pur, ea este de 50 kg. Pentru realizarea bombelor se mai poate folosi i Plutoniu ( Pu-239 ).
Masa supracritic pentru Plutoniu 239 este de 16 kg.
Explica ii referitoare la mecanismele din desenul bombei
Altimetrul [5]. Folose te la declan area bombei, dup lansare la o anumit altitudine. Poate fi un altimetru de avia ie folosind un barometru aneroid. De asemeni se folosesc altimetre radar n banda de 4200 MHz. Precizia este mai bun de 1.5m.
Detonator barometric [3] . Se folo este pentru declan area exploziei, n combina ie cu altimetrul.
Cap detonator [7] . Este constituit dintr-o frac iune a nc rc turii de U-235 . Impreun cu restul nc rc turii de uraniu constituie masa supracritic
Exploziv conven ional [8]. Serve te la unirea violent a celor dou cantit i de U-235 pentru realizarea masei supracritice i declan area exploziei nucleare la altitudinea stabilit n momentul lans rii bombei din avion i determinat cu ajutorul altimetrului.
Uraniu-235 [10] . Impreun cu capul detonator [7] constituie masa supracritic
Desenul bombei
[1] con posterior - [9] capac
[2] ampenj stabilizator - [10] U-235
[3] detonator barometric - [11] deflector neutroni
[4] tuburi de acces aer - [12] dispozitiv telemetric
[5] altimetru - [13] recipient cu U-235
[6] container de plumb - [14] focos
[7] cap detonator
- [8] exploziv conven ional
GLOSAR DE TERMENI UTILIZA I IN CADRUL LUCR RII
- Accelerator de particule: Un dispozitiv ce utilizeaz un c mp magnetic sau electric pentru a m ri viteza ( i energia) unor particule nc rcate. Ca tipuri constructive amintim ciclotronul i betatronul iar, n cazul fuziunii, tokamak-ul.
- Deuteriu : Izotop al hidrogenului con in nd n nucleu un proton i un neutron i av nd masa atomic 2. Deuteriul se comport ca i hidrogenul n reac iile chimice dar prezint diferen e semnificative n reac iile nucleare .
- Electron volt (eV) : Unitate de masur pentru energie, egal cu energia acumulat de un electron c nd este accelerat la o diferen de poten ial de 1 volt .
1 eV = 1.6022x10 Joules
- Energie atomic : Energie rezultat din conversiile mas energie ce se produce drept rezultat al reac iilor nucleare.
- Energie legat n reac iile nucleare, energia asociat cu nlocuirea unui proton i/sau neutron n nucleu; n chimia standard, este energia asociat cu realizarea unei leg turi electronice sau cu ruperea acesteia.
- Fisiune : Reac ie nuclear n care un nucleu atomic mare este spart n dou sau mai multe nuclee, proces nso it de eliberarea unei mari cantit i de energie. Ecua ia lui Einstein, E=mc² se poate utiliza pentru a exprima cantitatea de energie produs prin schimb rile de mas datorate reac iei de fisiune. Aceast reac ie se utilizeaz n ultimii 50 de ani pentru a produce energie.
In reac ia spontan de fisiune a uraniului, un atom se ,, rupe'' ntr-un atom de bariu i unul de krypton i se elibereaz trei neutroni rapizi pentru fiecare atom. Dac procesul continu n acela i ritm, se va produce o reac ie n lan , cu degajarea unei imense cantit i de energie.
- Formula lui Einstein : E=mc² arat masa pierdut (m) ntr-o reac ie nuclear n cazul producerii unei cantit i de energie (E) unde c = 300000000 m/s este viteza luminii n vid. Deoarece cantitatea de mas pierdut este multiplicat cu un num r foarte mare (c²), reiese c o cantitate enorm de energie poate fi produs , prin consumarea unei mase foarte mici. Bine n eles, aceste concluzii sunt valabile numai n cazul mecanicii cuantice.
- Foton : o singur cuant de radia ie electromagnetic . In dualitatea mas -energie aceasta este considerat o particul de radia ie.
- Fuziune : reac ia nuclear prin care dou nuclee atomice u oare se combin pentru a forma un alt element i pentru a elibera energie. Producerea oric rui element, ncep nd cu nichelul (Ni) se poate realiza prin procesul de fuziune (nucleosintez
Bombardamentul cu neutroni al mediului duce la formarea altor nuclee grele. Acest proces, odat pornit este responsabil de prezen a elementelor grele i a heliului n univers.
- Ion : un atom sau molecul care a primit sau a pierdut unul sau mai mul i electroni i av nd o sarcin electric pozitiv sau negativ
- Izotop : unul dintr-un grup de nuclizi care are acela i num r de protoni n nucleul s u
i un num r diferit de neutroni. Numeroase elemente au izitopi instabili, devenind radioactivi si emi nd radia ii ionizante n timp ce se transform n alt element sau izotop.
Izotopii hidrogenului sunt H² (deuteriu), i H³ (tritiu).
- Mecanica cuantic : parte a fizicii care se ocup cu studiul mi c rii particulelor elementare i a interac iunilor dintre acestea. Aici, legile mecanicii clasice au un domeniu de aplicare foarte restr ns.
- Neutron : o particul elementar care are aproximativ aceea i mas cu a protonului, dar nu are sarcin electric i este un constituent al nucleului av nd num rul de mas mult peste 1.
- Nucleon : O subparticul a unui nucleu atomic: un neutron sau un proton.
- Num r atomic : Z = num rul protonilor din nucleul unui atom .
- Num r de mas : Num rul total de protoni i neutroni din nucleul unui atom sau ion.
- Particule alpha : He ²+ , particule inc rcate pozitiv const nd n doi protoni i doi neutroni; notate cu litera greceasc a, nuclee de heliu-4. Aceste particule sunt un produs tipic al reac iei de fuziune .
- Particul beta : un electron emis de nucleul unui element radioactiv i notat cu litera greceasc b
-Plasma : O stare a materiei caracterizat printr-o nc rcare negativ (electroni) i pozitiv (ioni pozitivi), care poate conduce curentul electric. Plasma este considerat i cea de a patra stare a materiei, al turi de cea solid , lichid i gazoas . Se estimeaz c 99% din materia ce constituie universul exist sub form de plasm ; ex.: stelele, nebuloasele i particulele interstelare. Temperatura tipic a plasmei este de cel pu in 100.000°K, iar densitatea ntre 106/m3 (v ntul solar) i 1030/m3 (centrul stelelor).
- Radia ie : energie care str bate spa iul sub form de unde sau particule. Lumina
vizibil , c ldura, microundele i undele radio sunt exemple de radia ii neionizante. Radia iile a, b, g, neutronii i razele X reprezint radia ii ionizante.
- Radia ie electromagnetic : Radia ie const nd ntr-un ansamblu de unde electrice i magnetice deplas ndu-se prin spa iu sau un mediu oarecare. In general aceste unde au o component ,,E'' a c mpului electric, o component ,,B'' a c mpului magnetic i o component direc ional . Acest c mp se propag cu viteza luminii .
Lumina vizibil ,c ldura, microundele, i undele radio sunt exemple de radia ii electro- magnetice.
- Radioactivitate : dezintegrarea spontan a nucleului anumitor elemente, cum este uraniul. In acest proces sunt emise radia ii a, b i g.
- Reactor : recipient n care se produc reac ii nucleare sau chimice. In reactoarele ncleare, fisiunea unui combustibil nuclear elibereaz energie sub form de caldur care este absorbit de un fluid (de obicei, ap ). Apa, sub form de vapori ac ioneaz turbine conectate la generatoare care produc energie electric
- Reac ia de fuziune spontan : este cea care ntre ine via a tuturor stelelor care la r ndul lor au pemis apari ia vie ii n Univers.
- Reac ie n lan : rapida accelerare a multiplic rii reac iilor de fisiune rezult nd o multiplicare a neutronilor la fiecare pas al reac iei. O succesiune necontrolat de reac ii n lan ntr-o cantitate suficient de mare de substan (mas critic ) poate produce o eliberare exploziv i necontrolabil de energie. Fenomenul este folosit la realizarea armamentului nuclear.
- Reac ie nuclear : o reac ie implic nd nucleul unui atom, care modific energia, compozi ia sau structura atomului. Prin reac iile nucleare se elibereaz energie at t n cazul fisiunii la spargerea n dou elemente grele, c t i n cazul fuziunii, c nd prin combinarea a dou elemente u oare, rezult un element greu.
- Spectrul electromagnetic : este domeniul de propagare al undelor electromagnetice.
In domeniul vizibil al undelor electromagnetice se situeaz lumina. Celelalte domenii includ unde cu frecven mai cobor t dec t a luminii : undele radio, microundele i radia iile infraro ii. Frecven ele mai ridicate dec t cele vizibile (lumina) cuprind ultravioletele, razele X i gamma.
- Tokamak : un ghid magnetic care sus ine procesul de fuziune, numit astfel dup cuv ntul rusesc ce desemneaz un c mp magnetic de form toroidal . Acest c mp magnetic inelar constituie suportul particulelor n care se produce procesul de fuziune.
El este necesar datorit temperaturilor imense care se dezvolt n timpul reac iei i care ar vaporiza instantaneu orice substan cu care ar intra n contact direct.
- Uraniu : Element cu num rul atomic 92. Un metal alb, ductil i maleabil. Uraniul se g se te n natur sub form de oxid. Are trei izotopi cu numerele de mas i 234. U235 cu 92 protoni i 143 neutroni, este important deoarece este radioactiv i este folosit n fisiunea nuclear cu neutroni len i.
Bibliografie
Istoria general a tiin ei Publicat sub coordonarea lui Ren Taton, Editura
tiin ific , Bucure ti, 1972
Arborele lumii
Autorul lucr rii:
Lauby Cristina cls. a IX-a B
Liceul teoretic "Iancu de Hunedoara"
