Jaderná chemie podzimní semestr, 2/0, zkouška 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 Standardní náplň 1.Úvod a struktura hmoty 2.Atomové jádro 3.Radioaktivita 4.Kinetika 5.Datování 6.Jaderné reakce 7.Reakce neutronů 8.Supertěžké prvky 9.Využití jaderných reakcí 10.Reakce ve vesmíru 11.Jak se ztrácí energie 12.Ochrana před zářením 13.Měření záření 14.Detektory 15.Fyzikální vlastnosti 16.Chemické účinky 17.Biologické účinky 18.Účinky na lidský organismus 19.Ostatní účinky a použití JZ 20.Indikátory v praxi 21.Studium komplexů pomocí indikátorů 22.Jaderná energetika Pro zájemce Radiodiagnostické metody Když se řekne reaktor [USEMAP] 1 Počet bodů Hodnocení < 10 F 11-12 E 13-14 D 15-16 C 17-18 B 19-20 A Zkouška z jaderné chemie Zkouška bude vykonána testem na počítači v počítačové učebně UKB, A9/316. Test bude obsahovat 20 otázek, možných odpovědí na každou otázku bude max. 4, z toho správných odpovědí může být od 0 do 4. Za správně zodpovězenou otázku bude považována ta, kdy budou odpovězeny správně všechny dílčí odpovědi u dané otázky, pak se započítává do hodnocení jako 1 bod. 2 [USEMAP] Vznik a vývoj jaderné chemie Vznik jaderné chemie lze datovat do počátku 20. 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. Začlenění jaderné chemie Jaderná chemie souvisí s celou řadou přírodovědných oborů: fyzika chemie biologie (podstata jaderných jevů) (vliv jaderných jevů na chemické vlastnosti látek) (působení jaderného záření na organismy) Třídění jaderné chemie Obecná jaderná chemie „Radiochemie“ Radiační chemie Ostatní přidružené discipliny 3 [USEMAP] 1. Struktura hmoty Hmota je tvořena z hlediska vnějšího pohledu různými látkami. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším členěním 4 [USEMAP] 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. 5 [USEMAP] [USEMAP] Leptony („lehké částice“) ·vyznačují se slabými interakcemi ·nemají vnitřní strukturu ·lze je považovat za fundamentální částice Doba života mionu a tauonu je krátká (10-6, resp. 10-13 s). Nábojová čísla a hmotnosti leptonů Z m(u) elektron e- -1 5,5 . 10-4 (m0) elektronové neutrino νe 0 ≤ 5 . 10-9 mion μ- -1 0,1135 mionické neutrino νμ 0 < 505.10-4 tauon τ- -1 1,908 tauonické neutrino ντ 0 < 0,26 Leptonové číslo pro leptony: ½ Leptonové číslo pro antileptony: -½ Náboj: O nebo -1 6 [USEMAP] [USEMAP] Platí zákon zachování leptonového čísla: Celkové leptonové číslo je před interakcí a po ní stejné Hadrony – „těžké částice“, (je jich cca 200) Platí zákon zachování baryonového čísla: Celkové baryonové číslo je před interakcí a po ní stejné. spin Mezony: 0 nebo celočíselný Baryony: nukleony (proton, neutron) 1/2, 3/2 hyperony (částice těžší než nukleony) Baryonové číslo pro baryony: 1 Baryonové číslo pro antibaryony: -1 Baryonové číslo pro mezony a leptony: 0 7 [USEMAP] [USEMAP] 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 (je jich 6 druhů, mají baryonové číslo B= 1/3 a zlomkový elektrický náboj Z= 2/3 nebo -1/3) Označení kvarků a jejich vlastnosti nábojové číslo Z podivnost (strangeness) S půvab (charm) C krása (beauty) B pravda (truth) T kvark vůně (flavour) hmotnost (u) d down 0,0086 u up 0,0054 s strange 0,17 c charm 1,61 b bottom 4,56 t (1994) top 193 8 [USEMAP] Pravidla pro kvarkovou skladbu hadronů ·baryon obsahuje vždy tři kvarky, antibaryon obsahuje tři antikvarky (značí se pruhem nad symbolem kvarku) 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 LC + 2,42 +1 udc mezon obsahuje jeden kvark a jeden antikvark 9 [USEMAP] Vlastnosti některých baryonů Vlastnosti některých mezonů hmotnost (u) Z kvarkové složení + 0,150 +1 uđ - 0,150 -1 dū o 0,145 0 uū 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 Baryonová, nábojová a další kvantová čísla kvarků se sčítají a dávají kvarku pozorované vlastnosti. Příčinou soudržnosti kvarků jsou tzv. silné interakce (je cca 100 x silnější než interakce elektromagnetické). 10 [USEMAP] [USEMAP] 11 Výměna gluonu mezi dvěma nukleony [USEMAP] [USEMAP] Silná interakce: ·je zprostředkována výměnnou 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 ·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 (analogie se skládáním barev v barevné fotografii) ·při výměně gluonu mezi dvěma kvarky mění oba kvarky svou barvu tak, aby hadron zůstal bezbarvý 12 [USEMAP] [USEMAP] Elementární a fundamentální částice pro oblast atomů, jader a jejich radioaktivní přeměny 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) 13 [USEMAP]