MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY. SZIE Gödöllő Fizika és Folyamatirányítási tanszék

Átírás

1 MODERN FIZIKA DR. HEGYI KÁROLY SZIE Gödöllő Fizika és Folyamatirányítási tanszék

2 KLASSZIKUS FIZIKA G. Galileitől ( ) M. Planckig ( ) MECHANIKA Simonyi TÖMEGPONT PONTRENDSZEREK MEREV TEST KONTINUMOK (HIDRODINAMIKA) OPTIKA (FÉNYTAN) GEOMETRIAI FIZIKAI (HULLÁM) TERMODINAMIKA (HŐTAN) FENOMENOLOGIKUS (STATISZTIKUS) ELEKTRODINAMIKA (VILLAMOSSÁGTAN) ELEKTROSZTATIKA MAGNETOSZTATIKA ELEKTRODINAMIKA (MAXWELL) ME gyg

3 MODERN FIZIKA (1900 -) Titanic Titanic n RELATIVITÁS ELMÉLET KVANTUMFIZIKA ATOMFIZIKA ATOMMAGFIZIKA SZILÁRDTEST FIZIKA KOZMOLÓGIA

4 RELATIVITÁS ELMÉLET SPECIÁLIS MICHELSON-MORLEY KÍSÉRLET (ÉTER) eszköz Albert EINSTEIN (1905!) time LORENTZ (LORENTZ TRANSZFORMÁCIÓK) POINCARE MINKOWSKI (NÉGYDIMENZIÓS TÉR) képletek ÁLTALÁNOS (GRAVITÁCIÓELMÉLET) EINSTEIN (EÖTVÖS LORÁND) PARADIGMAVÁLTÁS di F = klasszikus modern dt ERŐ TÉR IDŐ (koordináta rendszertől függő) TÖMEG (tehetetlen, súlyos) ANYAG ENERGIA ( E=mc 2 ) Arpi Sándor

5 KVANTUMFIZIKA FEKETE TEST SUGÁRZÁS ABSZOLÚT FEKETE TEST MINDEN RÁESŐ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁST ELNYEL E =hf ENERGIA ADAGOKBAN TÖRTÉNIK AZ ENERGIA CSERE (h---planck ÁLLANDÓ Js --- HATÁSKVANTUM RJ-Wien FÉNYKVANTUM (EINSTEIN) FOTOEFFEKTUS (FÉNYELEKTROMOS HATÁS) E kin =hf-w ki 1/2 m e v 2 e =hf-w ki FOTON: E=hf I=h/λ (1 ev=1, J) ( E=hν )

6 SPEKTRUM ATOM VONALAS SZÍNKÉP MAGYARÁZATA (színkép) (BALMER) AZ ANYAG DISZKRÉT SZERKEZETE (MOLEKULA, ATOM) PERIÓDUSOS RENDSZER ELEMI TÖLTÉS (MILLIKEN) RUTHERFORD KÍSÉRLET ATOMMODELLEK (THOMSON, RUTHERFORD, BOHR, SOMMERFELD) BOHR-SOMMERFELD MODELL» 4 KVANTUMSZÁM (FŐ, MELLÉK, MÁGNESES, SPIN)» PAULI ELV

7 ANYAGHULLÁMOK LOUIS DE BROGLIE λ=h/mv HULLÁM RÉSZECSKE (KORPUSZKULA) KETTŐSSÉG A KÖRÜLMÉNYEKTŐL FÜGG, HOGY AZ ANYAG MELYIK TERMÉSZETE KERÜL ELŐTÉRBE (Fény terjedés vákumban---interferencia)

8 HULLÁMMECHANIKA SCHRÖDINGER egyenlet Ψ+8π 2 m/h 2 (E-V) Ψ=0 (stacioner) Ψ= 2 Ψ/ x Ψ/ y Ψ/ z 2 a Laplace operátor Ψ(x,y,z) hullámfüggvény Koppenhágai iskola---megtalálási valószínűség MÁTRIXMECHANIKA (HATÁROZATLANSÁGI RELÁCIÓ (pl. x p x h =h/2π) HEISENBERG Neumann János Hilbert térben, hermitikus operátorok P = Ψ V 2 d V

9 ATOMMAGFIZIKA A Z X Z--- RENDSZÁM (PROTON) A---TÖMEGSZÁM (PROTON + NEUTRON) IZOTÓP (azonos protonszám) TERMÉSZETES MESTERSÉGES STABIL RADIOAKTÍV

10 RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS α He atommagok (+) β elektronok β -, (pozitronok β + ) γ elektromágneses sugárzás» (E MeV)

11 RADIOAKTÍV BOMLÁSTÖRVÉNY Aktivitás A=dN(t)/dt [A]=Bq (becquerel)» 1 Bq= 1 bomlás/másodperc» Nem SI egység Ci (Curie)» 1 Ci = 3, Bq

12 dn(t)/dt = -λn(t) λ --- bomlási állandó [λ] = 1/s N(t)=N 0 e -λt Radioaktív bomlástörvény

13 T FELEZÉSI IDŐ T = ln 2 = λ 0,693 λ T fizikai T biológiai T effektív 1 T eff = 1 T fiz + 1 T biol

14 MAGREAKCIÓK Be+ He C+ n + γ 9+4= =6+0 Be, n) C (α RENDSZÁMOK ÖSSZEGE (TÖLTÉS) TÖMEGSZÁMOK ÖSSZEGE ÁLLANDÓ H H = 2 1 D HIDROGÉN. DEUTÉRIUM 4 2 He α 1 0 n neutron 1 1 p proton 3 1 H = 3 1 T TRÍCIUM 0 1 e elektron

15 Radiokarbon kormeghatározás: A légkörben folyamatosan keletkezik C-14 a kozmikus sugárzás miatt, és kb. 500 év alatt a földi szénciklus részévé válik, bekerül az élővilágba. ( ) N n, p 7 6 C A 14 C felvétel és bomlás miatt a természetes fajlagos aktivitás állandósul: 15,3 bomlás perc -1 g -1, Felezési idő: 5668 év

16 AZ ATOMMAG KÖTÉSI ENERGIÁJA (SZÉTSZEDJÜK AZ ATOMMAGOT ALKOTÓRÉSZEIRE) TÖMEGDEFEKTUS: M=(Zm p +(A-Z)m n )-M E = M c 2 Einstein 1 u= 1 ATE= 931 MeV Atomi tömegegység ( C-12 atommag 12 ed része) FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA: AZ EGY NUKLEONRA ESŐ KÖTÉSI ENERGIA

17 FAJLAGOS KÖTÉSI ENERGIA FÜGGÉSE A TÖMEGSZÁMTÓL FÚZIÓ MAGHASADÁS KÖNYYŰ MAGOK EGYESÍTÉSE NEHÉZ MAGOK HASADÁSA, HASÍTÁSA

18 MAGHASADÁS: U+ n Ba+ Kr n ATOMERŐMŰ: HŐERŐMŰ, MELY A MAGHASADÁSSAL KELETKEZETT HŐT ALAKÍTJA ÁT ELEKTROMOS ENERGIÁVÁ LÁNCREAKCIÓ:

19 TERMÉSZETES URÁN: U 99,28 % U U 0,718 % U 235 U-235 HASADÁSNÁL ÁTLAGOSAN 2,47 DB. NEUTRON KELETKEZIK EGY MAG HASADÁSAKOR KB. 200 MeV ENERIA SZABADUL FEL

20 ATOMBOMBA: HASADÁSI MANHATTAN PROJEKT HIROSIMA (URÁN), NAGASAKI (PLUTÓNIUM) TISZTA U-235, KRITIKUS TÖMEG SZILÁRD LEO WIGNER JENŐ TELLER EDE HIDROGÉN-BOMBA: HASADÁSI BOMBÁVAL INDÍTOTT FÚZIÓS BOMBA LÉTEZIK-E SZABÁLYOZOTT MAGHASDÁS ÉS FÚZIÓ?

21 U-235 HASADÁS: LASSÚ NEUTRONOK JOBBAN HASÍTANAK GYORS NEUTRONOK KELETKEZNEK MODERÁTOR (KIS TÖMEGSZÁMÚ) (D 2 O, GRAFIT, H 2 O) PAKSI REAKTOR: VVER-440 VÍZ-VIZES-ENERGETIKAI-REAKTOR A MODERÁTOR ÉS HŰTŐKÖZEG IS VÍZ (H 2 O) Természetben működő önszabályzó reaktor (GABON, OKLO)

22

23 NYOMOTT VIZES (PWR) REAKTOR

24 Primer kör technológiai berendezései Fűtőelem (tabletták cső kazetták) Urán-oxid (U t fémuránra átszámítva dúsítás 3,3%) Nukleáris robbanás fizikailag kizárva (nincs moderátor megszűnik a láncreakció) Tartály hengeres edény magasság 11,8 m átmérő 3,84 m falvastagság 14 cm Szivattyú 6 db 7000 m 3 /h Gőzfejlesztő 6 db

25 Szabályozás: primerkörbe bór(sav) Szabályozórudakkal 3-szoros biztonságvédelmi filozófia

26 VVER-440 Paksi Atomerőmű reaktor Víz-víz energetikai reaktor 440 MW elektromos Kétkörös primer radioaktív szekunderkör normál hőerőmű turbinával nyomottvizes a primerkör nagynyomású (125bar) (nem forr a víz) heterogén a fűtőanyag nem homogén módon van benne elhelyezve Moderátor Hűtőközeg H 2 O Üzemanyag enyhén dúsított urán (UO 2 2,5% U-235) szabályozás bórsavval (primerköri vízbe keverve ) szabályozó rudakkal

27 Biztonsági berendezések Általános elv 3-szoros biztosítás Fő feladat: 1.) A reaktor ne legyen szuperkritikus A.) bórsav B.) szabályozórudak 2.) A zónát hűteni kell 6 hűtőkör Áramkimaradás( akkumulátor) Dieselgenerátor Csőtörés fecskendő rendszerek (3x) lokalizációs torony ( gőzlecsapó) A Primerkör hermetikus boxban van Moderátor nélkül nincs láncreakció Kis szemtanú amish

28 Sugárzás Dózisfogalmak: Aktivitás 1Bq = 1 bomlás/s (Becquerel) (1Ci=3,7*10 10 Bq) 1 R (Röntgen) 1 cm 3 levegőben: 1 elektrosztatikus egységnyi (3,3*10-10 C) töltést ionizál emberi testben: 1 R 1 g-ban 9,31*10-6 J

29 Elnyelt dózis: 1 Gy = 1 J/kg (1 rad=0,01 Gy) (Gray) Biológiai dózis: 1 Sv (Sievert) D (Sv) = RBE D (Gy) ( 1 rem=0,01 Sv) LD 50/30 Félhalálos dózis 5 Sv (energiában egy kávéskanál meleg kávé)

30 A természetes sugárzási háttér Kozmikus sugárzás 0,3 msv/év Földkéreg 238 U, 232 Th, 40 K 0,4 msv/év Levegő 222 Rn 0,7 msv/év Víz, táplálék 14 C, 40 K, 210 Pb 0,35 msv/év Összesen: Klinikai tünet: Panaszt nem okozó: Röntgenvizsgálat:: Csernobil: 1000 msv 250 msv 0,5 4 msv 0,5 1 msv 1,75 msv/év

31 Sugárzásdetektorok 1. Magfizikai emulzió (filmdoziméter) 2. Gázionizációs detektorok V Fémszál töltőgáz fémburok Egy ion ionlavinát kelt 3. Wilson kamra Geiger-Müller (GM) cső

32 Szcintillációs detektorok Anód Szcintillátor NaI Fotokatód

33 Gázionizációs detektorok A M K S R Működési elv - + T A anódszál, K katódhenger, T feszültségforrás, R munkaellenállás, M mérőműszer, S szigetelés.

34 Johann Jacob Balmer ( ) a H-atom színképvonalainak összefüggése (1885) - 1/λ = R(1/2 2-1/n 2 ), n = 3, 4, 5,...

35 Sugárzó izotóp sugárzásának mérése a sugárzás ionizáló hatásán alapul (Geiger-Müller számláló) Ar töltőgáz alkohol-gőz V

36 Szcintillációs detektorok Elvi felépítés Szcintillációs számlálóberendezés

37

38

39 Wilhelm Konrad Röntgen ( ) az UV-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás és tulajdonságai (1895) az első Nobel-díj (1901)

40

41

42 Galileo Galilei ( ) olasz természettudós.

43 Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) Nobeldíjas német fizikus

44 Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger ( ) Nobel-díjas osztrák fizikus

45 Werner Karl Heisenberg ( ) Nobel-díjas német fizikus,

46 Albert Einstein (1879., ) elméleti fizikus,

47 Mileva Marić és Albert Einstein

48 James Clerk Maxwell ( ) skót matematikus-fizikus.

49

50

51

52

53 MAXWELL EGYENLETEK differenciális integrális Gauss-törvény Faraday-Lenztörvény Gauss mágneses törvénye Ampère-törvény I. II. III. IV.

54 SZÍNKÉPELEMZÉS

55

56 Fekete test hőmérsékleti sugárzás

57 FOTOEFFEKTUS ELEKTROMÁGNESES HULLÁMMAL (FÉNNYEL) MEGVILÁGÍTOTT FÉMLEMEZBŐL ELEKTRONOK LÉPNEK KI Foton hf energiával e fémlemez

58 Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) Wien Planck Rayleigh-Jeans uν = αν 8π ν βν T e u u = ν = ν kt βν 3 c T e Aν 1 W

59

60

61

62 Leonardo da Vinci: Szent Anna harmadmagával Johann Sebastian Bach: Magnificat

63 Pablo Picasso: Guernica Bartók Béla: Allegro Barbaro

64

65