FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Átírás

1 Sugárzunk az elégedettségtől! () Dr. Seres István

2 atommagfizika

3 Atommodellek 440 IE Democritus, Leucippus, Epicurus John Dalton J.J. Thomson 1911 Ernest Rutherford 19 Niels Bohr 3

4 Atommodellek J.J. Thomson (1897) elektronok Pozitív massza (puding) Pozitív ion mazsolás puding modell 4

5 Atommodellek Rutherford kísérlet: atommag felfedezése 5

6 Atommodellek Rutherford kísérlet: atommag felfedezése Naprendszer modell 6

7 Atommodellek Probléma a Rutherford modellel A 0. század elején felfedezték, hogy az anyag által kibocsátott illetve elnyelt fény nem folytonos spektrumú, hanem csak bizonyos frekvenciákat tartalmaz. A gyorsuló töltés sugároz (röntgen sugárzás) 7

8 Atommodellek k Ze e r m v r Rutherford mvr n h Bohr A két egyenletből r és v kiszámolható: v(n) kze nh r(n) h m4 kze n 8

9 Atommodellek Az elektron energiája: E(n) 1 mv k Ze e r(n) E(n) E n 0, ahol E 0 1 m4 k h Z e 4 9

10 Atommodellek Az elektron energiája: E(n) Energiaszintek (n főkvantumszám) E n 0 0 E 3 =E 0 /9 E =E 0 /4 E 1 =E 0 10

11 Fénykibocsátás Elektron gerjesztés Fénykibocsátás + n=1 n= n=3 11

12 Planck-féle kvantumfeltétel: (Foton energiája) e = hf Planck állandó (6.63 x J s) frekvencia (Hz) 1

13 fénykibocsátás: Energiaszintek közötti különbség megegyezik a kibocsátott energiával: 1 1 E E n m 0 Innét a kibocsátott frekvencia: hf f E0 1 1 h n m 13

14 fénykibocsátás: Rés Prizma Atomi fényforrás Film 14

15 Fénykibocsátás, vonalas színkép Hélium Oxigén Xenon 15

16 Színkép elemzés (spektroszkópia) Anyagösszetétel vizsgálat Távoli csillagok távolodási sebessége (Doppler effektus) Nap spektruma 16

17 Fotoeffektus Elektromágneses hullámmal (fénnyel) megvilágított fémlemezből elektronok lépnek ki => Einstein Foton hf energiával fémlemez e 17

18 Fotoeffektus Einstein egyenlet: hf W ki 1 mv 18

19 Feladat fotoeffektusra: Mekkora sebességgel lépnek ki az elektronok Hz frekvenciájú megvilágítás hatására egy cézium lemezből? (W ki = 1,96 ev) Megoldás: hf W W ki = 1,96 ev = 1,96 1, J = 3, J 6, ki 3, v = m/s 1 mv 9, v 19

20 A fény kettős természete: Fény: Hullám fényelhajlás Részecske fotoeffektus Rendelkezik-e a fény olyan tulajdonságokkal, mint a részecskék, pl. lendület? 0

21 A fény kettős természete: Planck fotonra hf = E = mc Einstein A kettő kifejezéséből: Foton lendülete = mc = hf/c = h/l Fénynyomás! 1

22 Az anyag kettős természete: Hullám (pl. fény): Lendület = mc = hf/c = h/l De Broglie szerint ugyanez részecskékre: h l mv Gyakorlati alkalmazás: Neutron diffrakció

23 Atommag fizika 3

24 Atommag fizika Hélium atommag (a részecske): proton + neutron Tömeg-deffektus: m m a ( m p m n ) 0 m a = 6, kg, m p = 1, kg, m n = 1, kg, 4

25 Atommag kötési energiája tömegdeffektus: m m a (m p m Einstein-féle tömeg-energia ekvivalencia elv: Kötési energia: n ) = kg e = mc = ( ) e = 4, J =, ev = 8 MeV (1 ev = 1, J) A látszólag eltűnő tömeg energiává alakul! 5

26 Atommag kötési energiája e ~ 4, J Mennyi energia lenne kinyerhető 1 vödör vízből ha magreakcióval belőle a hidrogént héliummá alakítanánk? M(H O) = 18 g/mol = g/mol H + 16 g/mol O. A víz tömegének /18-ad része, vagyis 1/9-ed része hidrogén. 6

27 Atommag kötési energiája A víz tömegének /18-ad része, vagyis 1/9-ed része hidrogén. 1 vödör vízben > 1 kg hidrogén 1 kg H = 1000 mol proton 500 mol p mol n 50 mol He 7

28 Atommag kötési energiája 50 mol He kötési energiája: E = N e = , = 6, J. 1 kg koksz égéshője: 30 MJ/kg = J/kg. 1 vödör víz hidrogénjének fúziós energiája kb., kg = 500 tonna koksz elégetésének megfelelő energiát termel. 8

29 Atommag fizika Atommag kötési energia: e mc m (Zm (A Z) m ) c X p A X Z n Fajlagos kötési energia: e A 9

30 Fajlagos kötési energia (MeV) fúzió Atommag fizika bomlás, hasadás e A Tömegszám (A) 30

31 Radioaktív bomlás dn dt ~ N N N 0 N 0 / N 0 /4 Radioaktív bomlástörvény N(t) N 0 t T T felezési idő T T 31

32 Radioaktív bomlástörvény Radioaktív kormeghatározás (C 14 ) Élőlények anyagcseréjének vizsgálata 3

33 Radioaktív bomlástörvény Feladat: Mennyi idő alatt bomlik el 10 mg radioaktív jód 30%-a? (T = 1,6 óra) Megoldás: A jódnak 70 %-a marad meg, ha 30%-a elbomlik. N(t)= 0,7 N 0!!! 33

34 Radioaktív bomlástörvény Feladat megoldás: N(t)= 0,7 N 0 N(t) 0,7 0,7 N ln0,7 t t 1,6 ln ln0,7 ln 0 N0 t 1,6 1,6 t 1,6 t T /:N 0 ln /ln t = 6,5 nap 34

35 Maghasadás, atomerőmű láncreakció Paksi atomerőmű honlapja 35

36 Maghasadás, atomerőmű Szabályozott láncreakció Paksi atomerőmű honlapja 36

37 Maghasadás, atomerőmű Paksi atomerőmű honlapja 37

38 Radioaktív sugárzás detektálása Ködkamra (paksi atomerőmű látogatóközpont) Filmdoziméter (pl. egészségügyi dolgozók) Geiger Müller számláló (kísérlet) 38