Jaderná chemie
podzimní semestr, 2/0, zkouška
1. Atomové jádro
2. Vlastnosti izotopů
3. Radioaktivní přeměny
4. Kinetika radioaktivních přeměn
5. Ionizující záření
6. Vliv ionizujícího záření na lidský organismus
7. Jaderné reakce
8. Indikátorová metoda
9. Jaderná štěpná reakce, základy jaderné energetiky
Literatura:
Jiří Hála: Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, Konvoj
1998, Brno
Vladimír Majer a kol.: Základy jaderné chemie, SNTL/ALFA, Praha
1981
Kolektiv autorů: Jaderně chemické tabulky, SNTL, Praha 1964
1
A) Vznik a vývoj jaderné chemie
Vznik jaderné chemie lze datovat do období konce 19. století a
souvisí s objevem radioaktivity (Becquerel, 1896)
Jaderná chemie je vědní obor, který se zabývá vlastnostmi
hmoty a jevy chemické a fyzikální povahy, jejichž původcem je
nebo se na nich podílí jádro atomu a jeho přeměny a který využívá
vlastností jádra a jeho projevů ke studiu a řešení chemických
problémů.
B) Začlenění jaderné chemie
Jaderná chemie souvisí s celou řadou přírodovědných oborů:
fyzika (podstata jaderných jevů)
chemie (vliv jaderných jevů na chemické vlastnosti látek)
biologie (působení jaderného záření na organismy)
C) Třídění jaderné chemie
Obecná jaderná chemie
,,Radiochemie"
Radiační chemie
Ostatní přidružené discipliny
2
1. Struktura hmoty
Hmota je tvořena z hlediska vnějšího pohledu různými látkami.
Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším
členěním:
Atomy jsou tvořeny elementárními částicemi (pojem
původně vyhrazený pro nedělitelný útvar bez vnitřní struktury)
Elementární částice dnes ­ cca 100 částic
+ 100 antičástic
Následující schéma naznačuje zjednodušeně členění
elementárních částic.
3
Leptony
vyznačují se slabými interakcemi
nemají vnitřní strukturu
lze je považovat za fundamentální částice
Leptonové číslo pro leptony:

Leptonové číslo pro antileptony:
-
Náboj: 0 nebo -1
Nábojová čísla a hmotnosti leptonů
Z m(u)
elektron e-
-1 5,5 . 10-4
(m0)
elektronové
neutrino
e 0 5 . 10-9
mion -
-1 0,1144 (~ 200 m0)
mionické
neutrino
 0
lepton -
-1 1,915 (~ 2000 m0)
tauonické
neutrino
 0
Doba života mionu a tauonu je krátká (10-6
, resp. 10-13
s).
Leptony a antileptony se liší tzv. točivostí (orientace spinového
momentu hybnosti)
Zákon zachování leptonového čísla:
celkové leptonové číslo je před interakcí a po ní stejnéCelkové leptonové číslo je před interakcí a po ní stejné
4
Hadrony (je jich cca 200)
spin
Mezony: 0 nebo
celočíselný
nukleony (proton, neutron)Baryony:
hyperony (částice těžší než nukleony)
1/2, 3/2
Baryonové číslo pro baryony: 1
Baryonové číslo pro antibaryony: -1
Baryonové číslo pro mezony a leptony: 0
Platí zákon zachování baryonového čísla
Celkové baryonové číslo je před interakcí a po ní stejné
Fundamentální částice
Velký počet hadronů a antihadronů je dán představou o jejich
vnitřní struktuře, které jsou tvořeny malým počtem
fundamentálních částic druhého typu, tzv. kvarků
(e jich 6 druhů, mají baryonové číslo B= 1/3 a zlomkový elektrický náboj
Z= 2/3 nebo - 1/3)
Označení kvarků - termín ,,vůně" (flavour)
Vlastnosti kvarků :
nábojové číslo Z
podivnost (strangeness) S
půvab (charm) C
krása (beauty) B
pravda (truth) T
5
kvark vůně hmotnost
(v jedn. u)
Z S C B T
d down 0,0086 -1/3 0 0 0 0
u up 0,0054 2/3 0 0 0 0
s strange 0,17 -1/3 -1 0 0 0
c charm 1,61 2/3 0 1 0 0
b bottom 4,56 -1/3 0 0 1 0
t (1994) top 193 2/3 0 0 0 1
Pravidla pro kvarkovou skladbu hadronů:
baryon obsahuje vždy tři kvarky
antibaryon obsahuje tři antikvarky
mezon obsahuje jeden kvark a jeden antikvark
baryonová, nábojová a další kvantová čísla kvarků se
sčítají a dávají kvarku pozorované vlastnosti
Silné interakce:
Příčinou soudržnosti kvarků jsou tzv. silné interakce (je cca
100 x silnější než interakce elektromagnetické).
je zprostředkována výměnou jiné částice která má velmi
krátkou dobu života (tato částice je po emisi jednou částicí
okamžitě absorbována druhou interagující částicí ­ nelze ji
proto jako částici zaznamenat -virtuální částice)
kvanta silového pole mezi kvarky se nazývají gluony, které
jsou nehmotné a nemají elektrický náboj
působení interakcí mezi kvarky je omezeno na malý prostor
6
kvarky nemohou existovat samostatně (k jejich uvolnění by
bylo zapotřebí extrémně vysoké energie) ­ proto pozorujeme
pouze jejich přeskupování za vzniku jiných mezonů a
hadronů.
proces výměny je komplikovaný, neboť každý kvark může
existovat ve třech kvantových stavech označovaných jako
barva (červená, modrá, zelená)
Pojem barva lze si lze představit jako ,,velmi silný" elektrický
(barevný) náboj, který je podstatou silné interakce
podle teorie musí být vznikající hadron ,,bezbarvý"  kvarky
se musí vhodně kombinovat
při výměně gluonu mezi dvěma kvarky mění oba kvarky svou
barvu tak, aby hadron zůstal bezbarvý
Vlatnosti některých mezonů
hmotnost (u) Z kvarkové složení
+
0,150 +1 uđ
-
0,150 -1 d
o
0,145 0 u nebo dđ
K+
0,530 +1
K-
0,530 -1
 1,095 0 atd....
J/ 3,32 0
Do
2,00 0
D+
2,005 +1
7
Vlatnosti některých baryonů
hmotnost
(u)
Z kvarkové
složení
p 1,0072765 +1 uud
n 1,0086650 0 udd
 1,198 0 uds
+
1,227 +1 uus
-
1,277 -1 dds
-
1,795 -1 sss
c
+
2,42 +1 udc
Oblast atomů, jader a jejich radioaktivních přeměn
je dána pouze čtyřmi fundamentálními částicemi první generace
elektron e-
elektronové neutrino e
kvark u u
kvark d d
Další generace fundamentálních částic vytvářejí neobvyklé
a nestálé hadrony při interakci částic s vysokou energií.
Existují i neobvyklé kombinace dalších leptonů a hadronů ­
vznikající atomy se nazývají exotické
Možné jsou i antiatomy, které jsou tvořeny pouze antičásticemi
(poprvé v r. 1996)
8