I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Átírás

1 I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag? Platón (i.e ), Arisztotelész (=i.e ): Végtelenségig darabolhatók Idealizált végső alkotó = őselem + hozzájuk kapcsolódó tulajdonságok: Tűz- meleg, száraz; Víz hideg, nedves; levegő meleg, nedves; föld hideg, száraz Ezek megfelelő arányú keverékeként bármely anyag előállítható. (Megj: ezek megjelenése a horoszkópokban, jellemrajzban) Van tovább már nem osztható alkotórész mindenféle anyaghoz. Mozgásuk, alakjuk, anyaguk meghatározó. ATOM = oszthatatlan rész (Demokritosz i.e ) Alkímia feladata a megfelelő keverési arányok kiderítése, alkalmazása. (pl. aranycsinálás) Eredmény: sokféle új anyag, vegyület és reakció, vegyülési szabály megismerése Kémiailag tiszta anyagok előállítása, megismerése Lehet, hogy mégis van legkisebb alkotórész? (XVIII. század) Az atom fogalmának felelevenítése, általánossá válása a XIX. sz. első felében (Dalton, Avogadro) A kinetikus elmélet alapjainak lerakása, a kémia gyors fejlődése. A periódusos rendszer Dimitrij I. Mengyelejev ( ) Jelenségek melyek arra utalnak, hogy az atom nem lehet oszthatatlan: Kémiai reakciók mi a vegyérték? Fény és anyag viszonya (elnyelés és kibocsátás) színkép, hőmérsékleti sugárzás, elektromágneses hullámok stb. Elektromosság, töltés és anyag viszonya (galvánelem, elektrolízis) az elektron felfedezése (J. J. Thomson 1897) Radioaktivitás (Becquerel 1896) stb. Atommodellek 1. Oszthatatlan részecske 2. Thomson- modell az elektron felfedezése után ( mazsolás puding ): + töltésű masszában elszórt elektronok 3. Rutherford modell: (híres szórási kísérlete után- 1911) naprendszer- atom 4. Bohr- modell: Rutherford modell módosítása a kvantum hipotézis felhasználásával 5. Kvantummechanikai modell (elektronhullám)

2 II. Az atommag szerkezete Rutherford szórási kísérlete (1911.) eredményeként vált nyilvánvalóvá az atommag létezése, s hogy mérete az atom méretének kb. százezred része, viszont tömege lényegében az atoméval megegyező. Az atommag protonokból és neutronokból áll. Ezek tömege közel azonos, kb szer nagyobb, mint az elektron tömege; a proton pozitív (p + ), a neutron semleges (n o ) elektromos töltésű részecske. Nukleon = magot alkotó részecskék együttes neve. Protonok száma = elektronok száma a héjban = elem rendszáma (Z) A neutronok száma (N) adott kémiai elem estén is változó lehet, így beszélünk adott elem izotópjairól. Tömegszám (A) = protonok száma + neutronok száma A = Z + N a hidrogén három izotópja: H 1p H 1p 1n H 1p n C 6 p 6n szén két izotópja C 6 p 8n Kis rendszámú atommagok esetén a protonok és a neutronok száma nagyjából megegyezik ( He, Li,,...). A nagyobb rendszámú atommagokban a neutron-proton arány egyre jobban eltér a C neutronok javára ( Ba, Pb,,...): U Gyakorlatilag minden elemnek van izotópja, emiatt nem egészszám az elemek atomtömege a periódusos rendszerben, mivel izotópok keverékéről van szó. Az atomok elektronszerkezete csak a rendszámtól függ, ezért az izotópatomok kémiai viselkedése teljesen egyforma. III. Az atommag energiája, magátalakulások Az atommagok földi körülmények között nehezen megbontható, rendkívül stabil képződmények. Az atommag alkotórészei között ható erős kölcsönhatást nukleáris kölcsönhatásnak nevezzük: A nukleáris kölcsönhatás tulajdonságai: - az elektromos töltéstől függetlenül vonzó: a proton-proton, neutron-neutron és a proton-neutron párok nukleáris kölcsönhatása ugyanolyan - nagyon erős (erősebb, mint az elektromos kölcsönhatás, hiszen legyőzi az egymáshoz igen közeli protonok közti taszítóerőt) - rövid hatótávolságú (kb m; egy nukleonra csak a szomszédos nukleonok hatnak) Az atommagot összetartó nukleáris kölcsönhatást magerőnek is nevezik. Kötési energia: Stabil atommag akkor keletkezhet, ha a protonok és neutronok (röviden: nukleonok) energiája az atommagban kisebb, mint amikor egymástól távol vannak. Az atommagnak alkotórészeiből történő összeállása során energia szabadul fel. A felszabaduló energia általában sugárzás formájában távozik. Ezt a felszabaduló energiát nevezzük kötési energiának. (Mivel a folyamat során az energia csökken, a kötési energia negatív.) Megfordítva: abszolút értékben ekkora energiát kell befektetnünk, ha az atommagot alkotórészeire szedjük. A tömegdefektus Albert Einstein 1905-ben, a speciális relativitáselméletben mondta ki a híres tömeg-energia ekvivalencia elvet: E = m c 2. E kapcsolat szerint minden energiához tömeg, és minden tömeghez energia tartozik: - az energianövekedésnek tömeggyarapodás felel meg, az energia csökkenésének pedig a tömegcsökkenés - az energia tömeggé alakulhat át, a tömeg pedig energiává

3 Minden atommagra igaz, hogy Z db proton és A-Z db neutron együttes tömege nagyobb, mint a belőlük létrejövő A tömegszámú és Z rendszámú atommag M tömege! M M A Z m Z m (negatív szám) A tömeghiány: n p 2 Ekkora tömeghiány Einstein szerint E M c M A Z 2 m Z m c energia felszabadulással jár együtt. A kötési energiára e képletből számolt és a kísérletileg mért értékek igen jól megegyeznek. Fajlagos kötési energia (egy nukleonra jutó energia): a kötési energia és a tömegszám hányadosa: E/A Ha a fajlagos kötési energiát ábrázoljuk a tömegszám függvényében, akkor fontos megállapításokat tehetünk: D 56 n p Elemek tömegszáma Fúzió radioaktivitás He U, Pu hasadás Atommag energiatartalma (egy nukleonra ) Vastó Az energia-görbe a vasnál a legmélyebb (A = 56). A vas a legstabilabb elem. Ha nagy tömegszámú atommagok kisebbekre hasadnak szét, akkor ez egy mélyebb energiájú állapotot jelent, azaz energia szabadul fel. Hasonlóképpen: ha kis tömegszámú atommagok nagyobbakká egyesülnek, akkor ez szintén mélyebb energiájú állapotot jelent és energia-felszabadulással jár. 1. Magfúzió: könnyű atommagok összeolvadása, melynek létrehozásához a magok pozitív töltése miatt (elektromosan taszítják egymást) gyorsan mozgó (nagy hőmérsékletű) részecskékre van szükség. Ekkora hőmérséklet ( millió fok) a természetben csak a csillagok belsejében jön létre, tehát azok energiatermelésének alapja a fúzió. A hidrogénbombában (USA-Eniwetok, 1952 Teller Ede, SZU 1953 Kurcsatov) ezt a hőmérsékletet hasadásos atombomba robbanással hozzák létre. Kísérletek folynak fúziós reaktorokkal is világszerte. Jelenleg Franciaországban tervezési szakaszban van egy üzemi méretű kísérleti erőmű megépítése nemzetközi összefogással. (TOKAMAK) Extrém nagy hőmérsékleteken, illetve a részecske gyorsítókban bármilyen magok egyesülése létrehozható, óriási energia befektetés árán. (transzurán elemek előállítása) 2. Radioaktivitás: felfedezője Henri Becquerel (1896). Bizonyos elemek (izotópok) sugárzás kibocsátása közben más elemekké alakulnak át (elbomlanak). mindenféle külső behatás nélkül következik be, az atomok véletlenszerűen bomlanak el. a bomlásra jellemző, hogy a kiindulási anyag mennyisége bizonyos időközönként feleződik (felezési idő), ez az adott izotópra jellemző érték. a sugárzás erőssége csak a radioaktív elem mennyiségétől függ három féle bomlás és hozzá kapcsolódó sugárzás létezik

4 - bomlás -bomlás - bomlás bekövetkező rendszám csökken 2 -vel növekszik 1-gyel előző két folyamatot változás tömegszám csökken 4 -gyel változatlan kíséri, gerjesztett mag alapállapotba kerül sugárzás összetétele He ++ atommagok e - elektronok nagy energiájú (n p + + e - ) elektromágneses hullámok sugárzás ionizáló hatása erős közepes gyenge sugárzás áthatolóképessége kicsi Közepes nagy Gyakorlati alkalmazás: radioaktív kormeghatározás a régészetben Leginkább a 14-es tömegszámú szénizotópot használják kormeghatározásra. Ez a szénizotóp nitrogénből keletkezik, amikor az atommag a kozmikus sugárzásból érkező neutronokkal ütközik: 7 N n 6 C p A C-14 izotóp felezési ideje 5568 év, ami könnyűvé teszi a számolást az emberi történelem múltjában. Az élőlények a levegőben lévő C-14 atomokat beépítik szervezetükbe a stabil C-12-vel együtt. Az élőlény elpusztulása után a C-14 atomok magjai az idők során elbomlanak béta-bomlással nitrogénné, míg a stabil szénatomok száma az elhalt maradványban nem változik. Így megváltozik az elhalt maradványban a C-14 és a C-12 atomok számának aránya. Feltéve, hogy az utóbbi pár ezer évben a levegőbeli arányuk állandó volt, következtetni lehet az egykori élőlény (pl. múmia) korára. Az eljárás lényege: megállapítható, hogy az élő szervezetben lévő szén minden egyes grammjában percenként 16 béta-bomlás következik be. Ha a vizsgált (elhalt) anyag grammnyi szénmintája - percenként 8 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora 5568 év - percenként 4 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora = év - percenként 2 béta-részecskét bocsát ki, akkor a kora = év A radioaktivitás alkalmazásai közül említést érdemel Hevesy György ( ) magyar Nobeldíjas kémikus (1943), az izotópos nyomjelzés kidolgozója. (Marie Curie, Pierre Curie, Irene Curie, Fréderic Joliot-Curie) 3. Maghasadás és láncreakció: A maghasadásos láncreakció alapötletének elvi lehetőségét 1933-ban, az akkor Angliában dolgozó Szilárd Leó vetette fel. (Anglia szabadalom 1934) Otto Hahn és Fritz Strassman német fizikusok fedezték fel 1939-ben, hogy az urán neutron-besugárzás hatására kisebb atommagokra hasad. (bárium, kripton, ón, molibdén,..) Ezt követően világszerte lázas kutatás indult a maghasadás természetének megismeréséért. Hamarosan kiderült, hogy 1.) a hasadás csak az U-235-ös izotópban megy végbe 2.) a hasadás során neutronok is keletkeznek, melyek újabb hasadást idézhetnek elő. Ezzel megszületett a magenergia folyamatos felszabadításának, a láncreakciónak a megvalósítási lehetősége. lassú neutron U kisebb mag db gyors neutron + hőenergia Láncreakció: lassított neutronok újabb hasadásra képes magokkal találkozhatnak Neutron lassítás Láncreakció akkor alakul ki, ha a hasadás során keletkező neutronok többsége új hasadást okoz.

5 A láncreakció feltétele, hogy megfelelő sűrűségben legyenek jelen a hasadó képes magok, ezt szokták kritikus mennyiségnek nevezni az adott %-os összetételű anyag esetén. (tiszta 235-ös urán esetén ez kb. 10 kg, ami öklömnyi méretű csak!) Bombában a kritikus mennyiség alatti tömböket összerobbantják, így indul be a láncreakció, szabályozatlanul, robbanásszerűen. (Urán; plutónium) Atomerőműben szétosztva (rudakban) fűtőelemekben helyezik el a 235-ös uránt, s a keletkező neutronok számának szabályozásával (kadmium rudak ki-be mozgatásával) érik el szabályozottságot. A neutronlassító (moderátor) és a hőt elvezető anyag többnyire a víz. (Paks). Az urán hasadásának energiamérlege: Egyetlen urán-atommag hasadásakor kb. 30 pj energia szabadul fel. Ennek legnagyobb része, mintegy 85 %-a a hasadási termékek kinetikus energiájaként (hő) jelenik meg. 1 kg urán (4,26 mol) teljes hasadásakor felszabadul 7, J energia. Ennyi energia 2, kg ( 2,2 millió kg) jó minőségű szén elégetésekor szabadulna fel. Az U-235 hasadása többféleképpen mehet végbe, egy példa: A hasadványok (Ba, Kr, Ce, Sr) erősen radioaktívak: általában -bomlással bomlanak tovább. A hasadványokat és utódaikat nevezzük hasadási terméknek. Az atomreaktorok működtetése során környezetvédelmi szempontból a legnagyobb problémát a kiégett fűtőelemekben felhalmozódott hasadási termékek biztonságos tárolása jelenti. A láncreakció gyakorlati megvalósításához sok nehézséget kellett leküzdeni: 1.) a természetes uránban a hasadásra képes U-235-ös izotóp mindössze 0,7 %-ban van jelen. Megoldás: a.) A természetes uránból ki kell vonni az U-235-ös izotópot, ami igen költséges eljárás. Az atombomba tiszta U-235-tel működik. b.) A természetes urán dúsítják, hogy az U-235 tartalma 3-5 % legyen. A legtöbb atomreaktor dúsított uránnal működik. 2.) a hasadás során keletkező neutronoknak igen nagy az energiájuk. Ezek a neutronok könnyen megszöknek, vagy az U-238-as izotóp befogja őket hasadás nélkül. Megoldás: A neutronok megszökését a reaktor méretének növelésével csökkenteni lehet. Bár az U-238 nem hasad, ha befog egy neutront, ugyanis ekkor a következő folyamat játszódik le: A 238-as urán-izotóp neutron-besugárzás hatására több lépésben plutóniummá, illetve uránná alakul: U n Np e Pu e U He A plutónium éves felezési idővel 235-ös uránizotóppá bomlik ( -bomlással): Mint kiderült, a plutónium ugyanolyan jó hasadási tulajdonságokkal rendelkezik, mint az U-235.

6 3.) a neutronokat le kell lassítani, mert a lassú neutronok hasítják könnyen az U-235-öt. Lassító közegnek (moderátornak) olyan anyagok alkalmasak, melyeknek kis tömegű az atommagja, és lehetőleg minél kevesebb neutront nyelnek el. Lassító közegként vizet, vagy grafitot használnak általában. A víz hidrogénje elnyeli ugyan a neutronok egy részét (miközben nehézvízzé alakul), de a tapasztalat szerint még így is marad elég neutron a láncreakció fenntartásához. Vannak olyan reaktorok, melyek természetes uránnal működnek. Ezekben már csak a nehézvíz alkalmazható moderátorként. A nehézvíz előállítása ugyancsak igen bonyolult és költséges eljárás. Atombomba: Tiszta U-235-öt használnak (vagy tiszta plutóniumot), amit ki kell vonni a természetes uránból. Amennyiben ennek mérete meghalad egy kritikus méretet, akkor magától beindulhat a láncreakció, hiszen a spontán bekövetkező hasadások miatt mindig keletkeznek neutronok. Az atombombában két tiszta U-235-ös urántömb van, melyek mérete külön-külön kisebb a kritikus méretnél, együttesen azonban meghaladják azt. Ezt a két tömböt hagyományos töltettel összerobbantják. A biztos működés érdekében a bomba tartalmaz egy neutronforrást is. (A kritikus méret U-235-ösnél kb. 17 cm átmérőjű gömb.) Atomreaktor: Dúsított uránt alkalmaznak, ebben az U-235 kb. 3-5 % -ban van jelen. Ilyen arány már elég ahhoz, hogy a lassú neutronok láncreakciót hozzanak létre. A neutronok lassítását grafittal vagy vízzel oldják meg. A továbbiakban csak azzal az esettel foglalkozunk, amikor a lassító közeg magas nyomású víz. Ez az ún. nyomottvizes reaktor, ilyen működik Pakson is 1982 óta. A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 65 %-át adják. A nyomottvizes atomreaktor lassító közege és hűtőközege egyaránt könnyűvíz (H 2 O). A víz két zárt, egymástól teljesen elválasztott körben kering. A paksi nyomottvizes reaktor egy egységének vázlatos felépítése: A reaktortartályban (R) fűtőelemként 42 tonna dúsított urán-oxid van elhelyezve hárommillió hengeres kapszulában (F). A fűtőelemek között áramlik a primer köri víz kb. 120 légköri nyomáson és C hőmérsékleten. A primer köri víz a gőzfejlesztőben (G) átadja hőjét a szekunder kör vizének, lehűl, majd alacsonyabb hőmérsékleten jut vissza a reaktorba. A szekunder körben levő víz (nyomása kb. 50 légköri nyomás) a gőzfejlesztőben (G) felforr. Ez a gőz hajtja a turbinát (T), a turbina pedig a generátort (G). A turbinából kilépő gőz a kondenzátorban cseppfolyósodik, ahonnan újra a gőzfejlesztőbe kerül. (Lényegében ez is egy hőerőmű!) A primer és a szekunder kör vize nem keveredik egymással! Ezért a hűtőközegbe került radioaktív anyagok a primer körben maradnak.

7 Szabályozó-rudak (Sz): Olyan anyagból készülnek, melyek igen hatékonyan nyelik el a neutronokat. Ilyen a kadmium és a bór. Az ilyen anyagból készült rudakat a reaktor belsejébe mélyebben vagy kevésbé mélyebben betolva, a láncreakció tetszés szerint szabályozható, vagy szükség esetén igen rövid idő alatt leállítható. A radioaktív bomlás és a maghasadás összehasonlítása: A radioaktív bomlás sebességét a felezési idő határozza meg, ami nem változtatható, az adott izotópra jellemző. A maghasadásban résztvevő atommagok számát szabályozhatjuk. A bomlás is energiafelszabadulással jár, de egy bomlás során jóval kevesebb (tized-század része) energia szabadul fel, mint egy hasadás során. Radioaktív energiaforrásokat ezért például az űrkutatásban alkalmaznak. 5. Néhány dátum: júliusában Einstein (Fermi és Szilárd Leó ösztönzésének hatására) levelet írt Roosevelt elnöknek: az atombomba kifejlesztésében feltétlenül meg kell előzni Németországot. (Manhattan-terv - Los Alamos: Oppenheimer, Fermi, Szilárd, Teller, Wigner, Neumann ) december 2-án elkészült az első reaktor (Chicago). Tervezői között volt Wigner Jenő és Szilárd Leó. A teljesítménye mindössze 200 W, de nem is energiatermelés volt megépítésének célja: a fontos az, hogy a szabályozott láncreakció megvalósítható július 16-án kísérleti célból felrobbantották az első atombombát. (Alamogordo) augusztus 6-án Hirosimára ledobták az első U-235-el működő atombombát. (Enola Gay Little Boy) augusztus 9-én Nagaszakira ledobták az első plutóniummal működő atombombát. (Fat Man) Rajz az elsõ atomreaktor indításáról, amely a chicagói reaktor grafitjával készült. A négy fej: Szilárd Leó, Arthur Compton, Enrico Fermi, Wigner Jenõ Az atommáglya