26 FYZIKA ATOMOVÉHO JÁDRA

Rozměry jádra: řádově 10–15 m.
Složení jádra: protony (protonové číslo Z) , neutrony (neutronové číslo N) – společný název nukleony (nukleonové číslo A=Z+N)
Náboj jádra: – kladný náboj e+

Chemický prvek jsou atomy se stejným nábojem jádra (hmotnosti mohou být různé), izotopy mají stejné protonové číslo (nuklidy s různým nukleonovým číslem) a nuklidy mají stejně protonů i neutronů (mají stejnou hmotnost)
Mezi částicemi působí slabé gravitační síly, elektrostatické odpudivé síly a silné přitažlivé jaderné síly, které mají krátký dosah – schopnost nasycenosti (působí jen na určitý počet částic, dosah 10–15 m).

Poloměr jádra: , kde . Objem: , hustota je u všech jader přibližně stejná .
Kapkový model jádra: Niels Bohr – kapka velmi husté a těžko stlačitelné kapaliny.

26.1 VAZEBNÁ ENERGIE
Vazebná energie je rovna práci, kterou musíme dodat k rozložení jádra na jednotlivé nukleony.
, kde B je hmotnostní úbytek.
Vazebná energie připadající na 1 nukleon:
S vyjímkou několika lehkých jader je
Deuterium
Tritium
Helium

Železo – největší energie na jeden nukleon
Syntézou dvou jader s nukleonovým číslem menším než je nukleonové číslo železa vzniká jádro těžší, stabilnější a uvolňuje se přitom energie.
Štěpením jádra s nukleonovým číslem větším než je železa vznikají dvě lehčí a stabilnější jádra, uvolňuje se energie.

26.2 RADIOAKTIVITA
Radioaktivita je schopnost některých jader vysílat záření, jádro prvku se přitom mění na jiné jádro nebo ztrácí část své energie.

26.2.1 Jaderné záření
záření  : svazek helionů (jádra helia – ), mají silné ionizační účinky, malou pronikavost a nesou velkou energii, která je kvantována.
záření  : svazek elektronů nebo pozitronů, mají větší pronikavost, menší ionizační účinky a energie není kvantována, protože je tvořena jen kinetickými energiemi jednotlivých částic.
záření  : elektromagnetické záření o , je velmi pronikavé (k zastavení je potřeba silná vrstva olova), silně ionizuje plyny a má schopnost uvolňovat z látky elektrony nebo celé ionty.
neutronové záření: v přírodě se nevyskytuje, je to proud letících neutronů, má velkou pronikavost, reaguje jen s atomovými jádry (pružné srážky – předává jádrům energii, nepružné – uvolňuje částice z jader), zpomalení pomocí jader s nízkou hmotností.

26.2.2 Posunovací pravidla
záření  : … nuklid se v tabulce posune o 2 místa vlevo před původní.
záření  : protože (neutron se přemění na proton, elektron a antineutrino), … nuklid se posune v tabulce o jedno místo za původní nuklid.
záření  : nuklid se neposouvá, pouze klesá jeho energie.

26.2.3 Radioaktivita
Marie Curie-Sklodovská a Piere Curie – rychlost samovolného radioaktivního vyzařování nelze fyzikálně ovlivnit.
, kde T je poločas přeměny (doba, za kterou počet jader klesne na polovinu), N(0) je původní počet jader (v čase t=0) a N(t) je počet jader radionuklidu v čase t.
Protože , , kde je přeměnová konstanta.

Aktivita zářiče: počet radioaktivních přeměn za sekundu . Vztah mezi aktivitou zářiče a počtem přeměněných jader: (Becquerel).

V přírodě se vyskytují dlouhodobě existující radionuklidy ( ) s poločasy přeměny řádově v miliardách let a krátkodobě existující, které stále vznikají ( ).

Dlouhodobě existující radionuklidy jsou výchozími prvky přeměnových řad (posloupnost jaderných přeměn). Výchozím prvkem je většinou izotop olova, který je stabilní.
Umělá radioaktivita: Frederic a Iren Joliot-Curieovi ostřelovali , a protože (proton se přemění na neutron, pozitron a neutrino), tak .

26.2.4 Detekce jaderného záření
Geiger-Mülerův počítač: je trubice naplněná plynem o nízkém tlaku, anodu tvoří drát v ose válce, katodou je válcová nádoba. Mezi elektrodami je napětí asi 1 kV. Při průletu ionizující částice vznikne v plynu několik párů kladných iontů a elektronů. Elektrony jsou elektrickým polem v blízkosti anody urychlovány a nárazem ionizují další molekuly plynu (lavinovitá ionizace). V obvodu vzniká proudový impuls, který je registrován akusticky nebo čítačem. Aby mohl počítač registrovat další částici, musí být uveden do původního stavu (např. dočasným snížením napětí na elektrodách).

Mlžná komora: slouží ke zviditelnění trajektorií částic jaderného záření. Je to válcová nádoba naplněná nasycenou párou vody nebo ethanolu. Při průletu částic jaderného záření dojde k ionizaci molekul páry, ionty se stávají kondenzačními jádry, na nich se vytvářejí mikroskopické kapičky, které vyznačují trajektorii. Často se umísťuje do magnetického pole, aby bylo možné podle zakřivení trajektorie určit hybnost částice a její měrný náboj.

26.2.5 Jaderné reakce
Jaderná reakce je uměle vyvolaná přeměna jádra srážkou s jiným jádrem nebo částicí. Při reakci musí platit zákon zachování hybnosti, elektrického náboje, počtu nukleonů a zobecněný zákon zachování hmotnosti a energie.
Při reakcích exoenergetických se energie uvolňuje, při endoenergetických se spotřebovává.

Transmutace
Z 1 jádra vzniká ostřelováním jiné jádro blízkého protonového čísla.

Rutherford:
Chadwick – objev neutronu:
Joliot-Curie – vznik umělého radioizotopu: , izotop je radioaktivní
vznik transuranu: ,
Neutrony nelze registrovat pomocí ionizačních účinků, proto se používá .
Jaderná syntéza (fúze)
Dvě lehká jádra se spojují na jedno jádro a uvolňuje se při tom energie ( ).
Výchozí reakce v cyklu reakcí probíhajících na Slunci , vzniká deuterium (těžký vodík).

nebo
Ekologicky čisté reakce (nevzniká ,  záření, ani neutrony):

Aby mohlo dojít ke spojení jader, je třeba překonat velké odpudivé elektrostatické síly a sblížit je na vzdálenost asi 10–15 m – musíme jádrům dodat aktivační energii (zahřátím na vysokou teplotu – 108 K) – tzv. termonukleární reakce.

Tyto reakce probíhají ve hvězdách, horké plazma je zde udržováno gravitačními silami. Na Zemi probíhají pokusy v tokamaku – (plazma je v nádobě prstencového tvaru udržováno v úzkém paprsku ve středu prstence působením silného magnetického pole).
Krátkodobě probíhá jaderná syntéza ve vodíkové bombě. Rozbuškou, která poskytuje dostatečnou teplotu je jaderná bomba.

Štěpení jader
Z jednoho jádra vznikají dvě jádra s přibližně stejným protonovým číslem, uvolňuje se při tom energie ( ).
Neutron zpomalený vrstvou vody nebo parafínu může rozštěpit jádro na 2 přibližně stejně těžká jádra. Nově vzniklá jádra jsou v excitovaném stavu, nestabilní a dále se rozpadají.

Nově uvolněné neutrony mohou po zpomalení štěpit další jádra (řetězová reakce). Část neutronů se pohltí bez štěpení nebo se dostane ven z jaderného materiálu, proto je potřeba mít k uskutečnění reakce alespoň kritické množství radioaktivní látky ( ve tvaru koule 44,5 kg). tvoří jen asi 0,7 % přírodního uranu.

26.2.6 Jaderný reaktor
Řízená jaderná reakce probíhá v jaderném reaktoru. Neutrony vzniklé štěpením se zpomalují v látce zvané moderátor (voda, těžká voda, grafit). Jako palivo slouží nejčastěji obohacený uran. Jaderná energie se uvolňuje většinou ve formě kinetické energie částic, která se při srážkách mění na vnitřní energii látky.

Reaktor se musí chladit (voda, těžká voda, oxid uhličitý). Chladivo (občas slouží zároveň jako moderátor) obíhá v primárním okruhu, ve výměníku odevzdává teplo sekundárnímu okruhu, ve kterém je voda, ta se mění na páru a pohání parní turbíny (tato pára již není radioaktivní).
K řízení výkonu reaktoru slouží regulační a havarijní tyče zhotovené z materiálů, které silně pohlcují neutrony (ocel). Tyto tyče se podle potřeby zasouvají do aktivní zóny reaktoru a ovlivňují střední počet účinných neutronů k (multiplikační faktor).
Pro k>1 reakce lavinovitě narůstá (explozivní průběh), pro k