Kompendium fizika 
(kratki sadržaj učenja i istraživanja u zakonima prirode, karakteristika materije i energije)
compendium physics - kort samenvatting natuurkunde
Kurzfassung Physik 
(Lehre von unbelebten Dingen der Natur, die exakt meßbar sind) 
Compendium Physique 
(recherche des lois de la nature, les caractères du matériel et de l'énergie)

Atomarna energija i elementarne čestice

Atom

Nuklearna energija je izvor energije za kako za atomske reaktore tako i za atomsko oružje. Atomarna energija može se osloboditi kroz cijepanje teških atoma ili kroz zbijanje lakših atoma. Da bismo shvatili atomsku energiju jezgra moramo prvo shvatiti atom.

Struktura atoma

Atom je najmanji dio jednog hemijskog elementa koji još posjeduje svojstvo istog elementa.

Atom je neutralan i sastoji se iz pozitivno nabijenog jezgra sa okolo pokretnim negativno napunjenim elektronima.
Jezgro je izgrađeno iz dvije vrste (za ovaj posao važne) čestice jezgra: neutroni bez naboja i protoni sa pozitivnim nabojem.

Microsoft animacija

Neutron (simbol n) je jedna elementarna čestica bez naboja, građevno tijelo jezgra atoma. Neutron ima masu od:
0,00000000000000000000000000167496 kg (1,67496×10 ^-27 kg; nešto veću nego proton.

Zbog odsustva naboja slobodni neutroni mogu upadati u atomsko jezgro i tako uzrokovati reakciju jezgra, drugačije imamo elektrostatička odbijanja.

Proton je atomarna čestica sa pozitivnim nabojem sa jednim elementarnim punjenjem. To je jezgro vodikova atoma, dakle H+-ion (jon), i u slobodnom stanju stabilan.

Proton i neutron imaju skoro istu masu. Broj protona je prepoznatljiv za element (vidi atomski broj); broj čestica jezgra određuje broj mase od izotopa. Masa jednog atoma je naime koncentrirana u jezgru. Masa jedne čestice jezgra je 1836 puta toliko veća od mase jednog elektrona.

Upotrebljivo je da jezgro jednog atoma prikažemo na pismeni način:

 

gdje je X simbol koji predstavlja dotični element, A masa atoma ili broj mase (suma od broja protona i neutrona) i Z atomski broj (jednak broju protona).

Broj neutrona (N) u jezgru elementa X je prema tome jednak formuli:

N = A - Z

Tako daje  uranijevo jezgro ponovo, sa 92 protona i 146 neutrona jer je:

N = A - Z = 238 - 92 = 146

Atomska masa, broj koji daje odnos mase od određenog atoma do atomarne mase-jedinice.

Atomarna jedinica mase, (atomic mass unit, jedinica (simbol U)), upotrebljena u nuklearnoj fizici definira se kao 1/12 dio od atomarne mase  ugljenog izotopa 12C;

u = 0,0000000000000000000000000016605310 kg of 1,66053×10^-27 kg.

Prema tome ako se govori o masi kao "masa 2" znači da se misli na 2 puta atomarnu jedinicu mase.

Elektron je elementarna čestica, sa negativnim električnim nabojem koji služi kao jedinica u atomu- nuklearna fizika (vidi elementarni naboj). Masa elektrona je 0,000000000000000000000000000000910534 kg (9,109534·10-31 kg) i upotrebljava se kao jedinica za masu.

Elementarni naboj (simbol: e), najmanja količina električnog naboja koji se javlja u prirodi: 1,601892 · 10-19 kulona (coulomb).

Ako se prema tome govori o "naboj +2" znači da se misli na 2 puta pozitivan elementarni naboj.

Npr: alfa čestica ima naboj +2.

Ovaj naboj može biti i negativan.

Npr: bèta čestica ima naboj -1.

Kulon (Coulomb) (simbol: C), SI-jedinica električnog naboja, definirana kako slijedi: kada električna jačina struje u jednom provodniku iznosi 1 A, premješta se u sekundi naboj od 1 C kroz promjer provodnika: C = A . s



Talasni aspekt elektrona

Tačkasta forma je uzrokovana jednim elektronskim snopom koji je probio kroz leguru titana i nikla, čime je razbacan po atomima od legure i tako pogodio jedan detektor. Snop je ispočetka tanak, ali je kroz leguru izlepezio i pokrio jedan okruglu plohu. Elektroni nisu podjednako preko ploče raspodijeljeni, ali na određenim tačkama su koncentrisani; zbog toga su nastale tačke.

Izotopi

Izotopi su jezgra koja podjednaki broj protona, ali različit broj neutrona posjeduju (dakle drugačiji broj mase). S obzirom da broj protona (atomarni broj) je određen za kemijski karakter atoma, izotopi pripadaju istom kemijskom elementu.

To su stabilni radioaktivni izotopi (vidi radio nuklidi). Pored prirodnih izotopa, od kojih su većina stabilni, napravljeno je mnogo umjetnih izotopa (svi radioaktivni). Većina kemijskih elemenata u prirodi se javljaju kao mješavina prirodnih izotopa.

Radio-nuklidi ili radio-izotopi, jezgra čija struktura jezgra je instabilna i to nakon kratkog ili dužeg vremena pod emitiranjem zračenja ili cjepanjem jezgra prelazi u stanje sa neznatnom energijom.


Jedan primjer
U jednom uranijevom jezgru, naprimjer , su 92 protona "pomiješani" sa 143 neutrona. Ova "mješavina" formira stabilno jezgro koje čvrsto i solidno zajedno visi. Ako jedan neutron uspije da probije u jedno jezgro, poremećena je ravnoteža. Dodavanje jednog jedinog neutrona mijenja se stabilno jezgro u vrlo nestabilno jezgro, i cijepanje jezgra je postavljeno u tok.


Vodikovi izotopi


Atomarni broj od jednog atoma stoji za broj protona u jezgru atoma. Broj protona ostaje kod svakog elementa konstantan. Broj neutrona može stvarno varirati, pri čemu izotopi nastaju sa istim kemijskim ponašanjem, ali sa drugačijom masom. Vodik ima uvijek jedan proton u njegovom jezgru koji se dovodi u ravnotežu sa jednim elektronom. Izotopi vodika su protium (bez dodatnih neutrona), deuterijum (sa jednim neutronom) i tritium (sa dva neutrona). Ovi grafički prikazi su šematski prikazi od atoma. U stvarnosti je jezgro desethiljada puta manje kao što je atom i elektron jedan milion puta manji od jezgra.



Fuzija-fizija razlika

Nuklearna energija se može osloboditi na dva različita načina: cjepanjem jednog teškog jezgra ili sa fuzijom dva lakša jezgra.



Atomska energija je energija koja se oslobađa iz reakcije sa ili među atomarnim jezgrima. U jednom atomskom reaktoru za predviđenu energiju kontinuirano prema potrebi regulisane količine energije se liferuju; u slučaju atomskog oružja na jednokratni eksplozivni način.

Princip je kao što slijedi: atomska jezgra su izgrađena općenito iz malih čestica: protona i neutrona. Ovi se zajedno drže preko snage jezgra. Da bi se jedno jezgro razbilo odn. rascijepilo njemu se mora pridodati takozvana vezna energija, da bi na kraju pobijedili snage jezgra.
Obratno vrijedi također: ako se posebne čestice sastanu i formiraju jezgro atoma ovo će osloboditi energiju. Što su snage jezgra jače, to je jezgro stabilnije i prema tome će trebati više energije da se pridoda da bi se jezgro razbilo.

Obratno će svaki proces, gdje se manje stabilna jezgra pretvaraju u stabilna jezgra, ide uporedo sa izdatkom energije. To je jedan opšti zakon: težiti minimumu energije ili težiti stabilitetu.

Jezgra sa brojem mase (= soma od broja protona i neutrona) ca. 50, dakle željezo, izgledaju najstabilnija.

To znači da su dvije principijelne mogućnosti za dobivanje atomske energije:
a: spajanje dva lakša jezgra sa brojnom masom manjom od 50 sa jednim težim jezgrom, atomarna fuzija.
b: cijepanjem jednog teškog jezgra u dva lakša jezgra, atomarna fizija.

na posljednjem procesu počivaju sve pretpostavljene poznate forme proizvodnje atomske energije u većem obimu.



1. Cjepanje jezgra ili Fuzija (fusie)

Atomska fuzija je spajanje lakših atomskih jezgri u teže. Pošto je vezna energija po nukleonu (građevno tijelo atomskog jezgra) za jezgra lakša nego što se jezgro atoma željeza povećava sa masom, oslobađa se kod fuzijskog procesa. Ovom principu se može pripisati da dolazi do atomske fuzije uz to i produkcije energije kod zvijezda. Temperatura u unutrašnjosti je toliko visoka da su svi gasni atomi jonizirani, oni formiraju plazmu, pri čemu se dešava atomska fuzija pri kojoj se oslobađa velika energija. Tako npr. fuzija jednog grama deuterijuma (količina koja se javlja u 30 l vode) može da liferuje količinu energija koja je podjednaka sa onom što se oslobađa kod izgaranja 10.000 litara benzina. Velika teškoća primjene na zemlji je problem zatvaranje plazme čija zahtjevna temperatura (najmanje 100.000.000 °C) teško se može pohraniti za neko duže vrijeme.

U Evropi se ispituje atomska fuzija sa JET-project (Joint European Torus). Već u 1989 Evropski istraživački tim je postigao temperaturu 250 000 000 K u vremenu dužem od jedne sekunde. Sljedeće mjerenje desilo se 1991, kad se desila prva prava demonstracija produkcije energije iz fuzije, a liferovana je na velikoj skali. Iz jedne fuzijske reakcije sa mješavinom od 10% tritiuma i 90% deuterijuma nastalo je u 2 sekunde otprilike 1,7 MW termičke energije. U decembru 1993 Amerikanci su probudili za vrijeme od oko jene sekunde jačinu od 6,3 MW. Pri čemu je vladala temperatura od oko 300.000.000 K, dvadeset do trideset puta vruće nego u centru sunca. Krajem maja 1994 dostignuto je 9 MW, početkom novembra 1994 10 MW. Oko 2000-te su pomišljali na 1500 MW u pulsevima od 1000 sekundi.

U 1993 naučnici su u Tokamak Fusion Test Reactor, u plasmafysicalaboratoriumu na Princenton Univerzitetu u Američkoj državi New Jersey, izveli atomske fuzije, pri kojima je temperatura u reaktoru bila veoma visoka tri puta kao temperatura u središtu sunca. U Tokamak-reaktoru je vodonična plazma pod ekstremno visokom temperaturom magnetski sakupljena, pri čemu su vodikova jezgra bila prisiljena da se spoje. Kod ove atomske fuzije oslobođene su neobično velike količine energije.

Tokamak Fusion test Reactor

Vezna energija, energija kojom su čestice (zajedno) povezane, na primjer: vezna energija atoma u molekuli, jednog elektrona i atomskog jezgra, ili od atomarnih čestica u jezgru atoma.

Jonizacija, formiranje jona zbog toga što atomi ili molekule i/ili više elektrona odbacuje ili preuzima.

Plazma, jako jonizirana mješavina jona, elektrona, i eventualno neutralnih molekula gasa, sa takvom koncentracijom punjenih nosača tako da nastaju posebne osobine, na temelju kojih se stanje plazme posmatra kao jedno posebno agregatno stanje.

Deuterijum ili teški vodik, jedan stabilni izotop vodika, simbol ili , relativna atomska masa 2,01408, tačka vrenja -249,5 °C, tačka taljenja -254,5 °C. Vodik obuhvata 0,016% deuterijuma.
Najznačajniji spoj je deuterijumoksid D₂O ili teška voda.





U suncu i drugim zvijezdama atomska jezgra se pod veoma visokom temperaturom i pritiskom međusobno zbijaju, toliko da se pretope odn. stope u teža jezgra. Postoji broj različitih procesa fuzije. Ovdje slijedi jedan obični proces.
(1) Pozitivno nabijeni protoni međusobno se sudaraju. Jedan od protona daje jedan pozitron i neutrino. Neutralne čestice koje preostaju iza, to je jedan neutron u kombinaciji sa drugim protonom u jezgru deuterijuma, odnosno teškog vodika.
(2) Deuterijumovo jezgro se sudari sa nekim drugim protonom i formira helijum-3, jedna laka forma helijuma.
(3) Dva helijum-3-jezgra se sudare, izgube dva protona i formiraju jezgro običnog helijuma.

Neutrino (simbol u), elementarna čestica koja je bez mase, (ili sa veoma malom masom), i da nema elektromagnetskih osobina. Proizvodi se u veoma velikim količinama kod fuzije jezgra u unutrašnjem dijelu sunca i zvijezda. On se u ekstremno malim količinama apsorbira od materije. Neutrino antičestice se nazivaju antineutrino.

Pozitron ili poziton, (pozitivno nabijena) antičestica od elektrona, sa istom masom, ali sa suprotnim električnim i magnetskim osobinama.



Razbijanje (cjepanje) jezgra atoma ili fizija

Cjepanjem jednog teškog jezgra u dva poluteška jezgra, to je jedan fizički proces prilikom kojeg se oslobađaju neutroni i energija jezgra. Cjepanje jezgra javlja se spontano kod težih transuranskih elemenata; kod drugih materijala je ovakva mogućnost na prvom redu onda ako je pridodana dodatna energija kojom se jezgro dovedi u instabilno stanje. Ovo dodavanje energije moguće je za takozvane razbijene čestice, , i  (poznate kao: uran-233, uran-235 i plitonijum-239), a proces navođenja postiže se sa neutronima. Kod svakog procesa u kojem dolazi do neutronskog razbijanja jezgra istovremeno dolazi do oslobađanja dva ili tri nova neutrona čime se može pobuditi samoinicijalna lančana reakcija.
Naprimjer; razbijanje male količine urana ima za učinak neviđeno veliko oslobađanje energije, isto kao jedna atomska bomba. Ova energija spoznajom ne dolazi direktno od neutrona koji uzrokuju proces cijepanja, jer to teče prilično polako i nema mnogo energije. Odgovor leži u samom jezgru jer u njemu je zbijena velika količina energije, sve dotle dok se ne oslobodi neutron koji dovodi do oslobađanja ove energije.
Kada se izvode tačnija mjerenja primjećuje se da prilikom razbijanja odn cijepanja jezgra nestaje vrlo mali gubitak mase.
U slučaju da se mase, od čuvenih čestica (neutron i atom iz urana), zajedno pomiješaju i uporede sa masom formiranog atoma i proizvedenih neutrona, onda izgleda da nedostaje jedan dio mase. Gdje se ona nalazi ?
Odgovor nalazimo u Ajnštajnovoj teoriji relativiteta.

Iz Ajnštajnove teorije relativiteta znamo da masa slijedi energiju i može prelaziti jedna u drugu, naravno po poznatoj formuli : E = m.c²

Ovdje je: E = energija u džulima (Joule) dok je: m = masa i c = brzina svjetla = 299790 km/s.

Na osnovu Ajnštajnove formule, energija sadržana u 1 gramu materije jednaka je:

Elektronvolt - (Simbol:eV)
Elektronvolt je kinetička snaga energije koju jedan elektron primi ako u jednom električnom polju prolazi potencijalna razlika od 1 V.

onda je E = 212 MeV (po razbijenom jezgru)

Ova se energija oslobađa pod različitim oblicima: premještanje mase (mehanički), blicevima (optički, toplotno sa posljedicom podizanja temperature) i radioaktivnim zračenjem energije.

Nastavlja se ---