1

Elemente de fizic nuclearA.

De la descoperirea radiaiilor X la cea a neutronului.

Descoperirea radiaiilor X. n 1895, noiunile de atom i de molecul erau aproape universal adoptate datorit lucrrilor lui Dalton, Proust, Avogadro etc., dar structura insi a atomului era necunoscut: atomul era considerat ultimul element al oricrui corp simplu i se admitea c exist tot attea specii de atomi cte corpuri simple exist. Studiile asupra electricitii au furnizat, n paralel, cunotine noi, n special n privina propagrii undelor electromagnetice, dar experienele n domeniul descrcrilor n gaze rarefiate, dei numeroase, nu-i dezvluiser nc secretele; abia n 1897 J.J.Thomson descoper electronul i i msoar, civa ani mai trziu, sarcina-care se dovedete egal cu cea a unui ion univalent- ceea ce i permite s l considere ca "un adevrat atom de electricitate". Cu doi ani mai devreme (1895), W.C.Rntgen descoperise radiaiile X. n laboratorul su de la Wrzburg, Rntgen a observat pentru prima dat radiaii invizibile ce se propag n afara unui tub de radiaii catodice acoperit cu hrtie neagr, radiaii capabile s provoace luminescena unui ecran acoperit cu platinocianur de bariu. El a denumit aceste radiaii, de natur necunoscut, radiaii X. Cercetrile lui Rntgen au continuat de fapt numeroase cercetri ntreprinse mai nainte asupra radiaiilor catodice, n special de Villard, Crookes i Wiechert. Jean Perrin dovedise c radiaiile catodice sunt formate dintr-un fascicul de electroni rapizi. n afar de aciunea lor asupra ecranelor fluorescente, Rntgen a stabilit c noile radiaii necunoscute impresioneaz placa fotografic i ionizeaz aerul nconjurtor. El a dovedit, de asemenea, c radiaiile X sunt capabile s strbat grosimi de materiale relativ mari, fiind absorbite mai mult de elementele cu greutate atomic mare. Folosind aceast proprietate, el a obinut primele radiografii ale scheletului unor fiine vii. S-au obinut progrese rapide n construcia tuburilor, prin introducerea anticatodului i apoi prin punerea la punct a tuburilor cu catod cald de ctre Coolidge (1913), dup descoperirea emisiei de electroni a corpurilor incandescente. Dup cercetrile lui Rntgen, nu au mai fost obinute rezultate fundamentale n domeniul radiaiilor X dect dup 15 ani, n urma lucrrilor lui von Laue, care a artat c radiaiile X reprezint o radiaie electromagnetic cu lungime de und mic, i ale lui Moseley, care a stabilit legtura dintre spectrele

2

caracteristice de linii ale radiaiilor X i structura electronic a atomilor. Descoperirea radiaiilor X a avut, pe lng aplicaiile sale imediate, o foarte mare importan pentruu toat dezvoltarea ulterioar a fizicii. Descoperirea radiaiilor X i a comportrii acestora i-a fcut pe savanii vremii s ncerce s elaboreze unele modele ale structurii atomului. La nceputul secolului XX, J. Perrin (1901), Lenard (1903) i Nagaoka (1904) au propus un model dinamic cu sarcinile pozitive concentrate n nucleu i nconjurate de particule negative. n 1904, J. J. Thomson a propus un nou model de atom static. Atomul ar avea forma unei sfere ncrcate uniform cu sarcini pozitive, iar n interior s-ar gsi electronii astfel nct atomul s fie neutru. O imagine simpl i comod a atomului, clasic astzi, este cea a modelului lui Rutherford-Bohr (1911-1913), n care atomul este reprezentat printr-un nucleu central ncrcat pozitiv, nconjurat de electroni ce graviteaz pe orbite circulare sau eliptice, ale cror centre, sau unul dintre focare, este ocupat de nucleu. Ansamblul este neutru din punct de vedere electric; pentru un atom cu numr atomic Z, sarcina nucleului este +Ze. Pe aceste orbite, electronii n micare nu radiaz energie, dar cnd un electron trece de pe o orbit pe alta, apare un schimb de energie cu mediul exterior, efectuat n general prin intermediul unui foton, a crui frecven este dat de h = Ei - Ef, unde Ei i Ef sunt energiile de legtur ale electronului n starea iniial i cea final. Radiaiile X caracteristice sunt astfel produse prin tranziii electronice ntre pturile cele mai apropiate de nucleu. Ciocnirile unor electroni, cu energie suficient de mare, cu atomii unei inte au drept rezultat apariia unor radiaii X caracteristice, datorit smulgerii unui electron din straturile interne ale anumitor atomi. Dar ncetinirea particulelor accelerate i, n special, a electronilor care trec prin vecintatea centrelor cu sarcin, produce o radiaie electromagnetic, numit radiaie de frnare, care explic spectrul continuu de radiaii X. n timp ce structura atomului putea fi considerat cunoscut n limite rezonabile, structura nucleului rmnea nc o enigm, n ciuda eforturilor considerabile efectuate de numeroI fizicieni. Nucleul este un sistem complex, format din protoni i neutroni. Ca i cortegiul electronic al atomului, nucleul se poate gsi ntr-o stare de energie care nu corespunde strii de energie minim; el sufer atunci o evoluie spre aceast stare, nsoit de o eliberare de energie. Anumite nuclee pot rmne mult timp n aceast stare metastabil (pn la mai multe sute de milioane de ani) i s sufere la un moment dat o transformare: se spune c acestea sunt radioactive. Energia este eliberat sub forma unor diverse radiaii i tocmai observarea acestor radiaii pentru prima dat de H. Becquerel, n 1896, a condus la descoperirea radioactivitii.

3

Descoperirea radioactivitii. Descoperirea radioactivitii de ctre Henri Becquerel (1896) a urmat rapid dup cea a radiaiilor X. Ea a fost pus n eviden de aciunea radiaiilor asupra plcii fotografice. S-a spus de multe ori c descoperirea lui Becquerel se datoreaz norocului sau ntmplrii. De fapt, norocul lui Becquerel const n faptul c i-a ndreptat atenia asupra srurilor de uraniu, pe care de altminteri le cuunotea foarte bine. Dar trebuie, de asemenea, s admirm i grija excepional pe care o lua n cursul cercetrilor sale. Astfel, Becquerel i-a expus srurile de uraniu la soare pentru a le face fluorescente; cnd, n lipsa soarelui, el a lsat ntr-un dulap o sare de uraniu n apropierea unei plci fotografice, a avut precauia de a o developa nainte de a-i continua experienele. Constatnd c aceasta a fost impresionat, el a ntrevzut c nu era nici o legtur ntre fluorescen i aceast aciune fotografic. Becquerel i-a continuat cercetrile i a artat c "radiaiile uranice" sunt capabile, ca i radiaiile Rngen, s fac aerul nconjurtor conductor. Originea acestei energii degajate constant a intrigat pe Pierre i Marie Curie. n 1897, efectund msurri precise, Marie Curie observ curnd c radiaia constituie o proprietate specific a atomului de uraniu: intensitatea sa este proporional cu cantitatea de uraniu coninut n sare. Ea studiaz i ali compui care posed aceeai proprietate i arat c thoriul emite o radiaie analoag celei a uraniului. Ea propune denumirea de "radioactive" pentru substanele care emit radiaiile lui Becquerel i denumirea de "radioactivitate" pentru noua proprietate, ca i cea de "radioelemente" pentru elementele care o posed. n cursul acestor cercetri, examinnd nu numai sruri preparate n laborator, ci i minerale, ea constat c unele dintre acestea prezint o radioactivitate anormal, mult superioar celei ce putea fi prevzut dup coninutul n uraniu sau n thoriu. Pentru a explica acest fapt, M. Curie a emis ipoteza c trebuie s existe o substan cu mult mai radioactiv dect uraniul sau thoriul. Eforturile sale au dus la descoperirea poloniului i a radiului. Dezvoltarea cercetrilor de radioactivitate. Din 1901, P. i M. Curie, H. Becquerel, J. Perrin au propus printre alte ipoteze i pe cea de a interpreta radioactivitatea ca o transformare atomic nsoit de degajarea unei energii poteniale coninute n atomul radioactiv. n mai 1903, n urma experienelor lor asupra emanaiilor, Rutherford i Soddy au admis c radioactivitatea se datoreaz unei dezintegrri atomice. La nceputul anului 1903, P. Curie i A. Laborde au pus n eviden degajarea spontan de cldur de ctre radiu. Aceast descoperire era foarte important, deoarece dovedea c energia degajat, dei foarte mic n valoare

4

absolut, este att de mare n raport cu masa atomului, nct nu poate proveni dect dintr-o transformare a nii atomilor de radiu. n sfrit, tot n 1903, Ramsay i Soddy au artat c radiul produce continuu heliu. Pentru prima dat, un element chimic, heliul, se obinea dintr-un alt element, radiul; acest argument a jucat un rol decisiv n favoarea teoriei transmutaiilor substanelor radioactive. Radiaiile. Primele metode de detectare. Foarte rapid s-a reuit separarea radiaiilor substanelor radioactive n trei categorii, , i , i cunoaterea caracteristicilor eseniale ale acestora. E. Rutherford a artat, dup 1899, c uraniul emite cel puin dou tipuri de radiaii, cu puteri de ptrundere foarte diferite. El a denumit componenta puin ptrunztoare "radiaie " iar componenta mai ptrunzatoare "radiaie ". n 1909, Rutherford i Royds au demonstrat c radiaiile sunt atomi de heliu dublu ionizai. P. i M. Curie au stabilit c sarcinile transportate de radiaiile sunt negative. Msurri succesive au stabilit c sarcina unei radiaii este egal cu sarcina elementar i astfel aceste radiaii au fost considerate drept electroni. P. Villard a observat, pentru prima dat, radiaii a cror putere de ptrundere era mult superioar celei a rdiaiilor , numindu-le "radiaii ". Aceste radiaii, care nu sunt deviate de cmpurile electrice sau magnetice, au o putere mic de ionizare i sunt considerate radiaii electromagnetice. Dup descoperirea radioactivitii s-a observat c radiaiile emise impresioneaz plcile fotografice, produc fluorescena diferitelor substane i fac gazele bune conductoare de electricitate. S-a neles rapid interesul unei numrri a radiaiilor, adic a detectrii individuale a fiecrei particule. Crookes, Elster i Geitel au artat, n 1903, c dac radiaiile ating un ecran fluorescent, ca cel de platinocianur de bariu sau de sulfur de zinc, acesta produce n punctul de inciden o luminescen de foarte scurt durat. Aceast metod de numrare a fost mult folosit, permind descoperiri fructuoase. ncepnd din 1911, fizicienii au avut la dispoziie, datorit lui C. T. R. Wilson, un instrument minunat de observare: camera cu detent, numit mai des camera Wilson. Acest aparat permite observarea traiectoriilor individuale ale particulelor ionizate- radiaiile sau . n 1913, a fost pus la punct de ctre Rutherford i Geiger un dispozitiv de numrare electric a particulelor individuale. Perfecionat n 1928, mai ales de Mller, el este folosit i acum n numeroase ocazii sub denumirea de contor Geiger-Mller.

5

Dac o particul ionizat traverseaz un mediu gazos n care exist un cmp electric intens, ionii creai de trecerea particulei, n deplasarea sa rapid, pot provoca la rndul lor ionizarea gazului, declannd un proces cascad, care permite obinerea unui impuls electric uor de detectat.

Efectele biologice ale radiaiilor. Dup Walkhoff i Geitel, P. Curie i Becquerel au observat c radiaiile produse de radiu provoac arsuri. P. Curie i-a expus voluntar braul la aciunea unei sri de radiu. nc din 1904, medicul francez Danlos efectua primele ncercri de utilizare terapeutic a radiului la cancerul pielii. De atunci, importana acestor aplicaii a crescut continuu. Utilizarea medical a radiaiilor, fie sub form de surse externe, fie sub form de surse interne, a primit denumirea de curieterapie. nc din acei ani, au fost ncercate diferite experiene pentru a studia influena radioactivitii asupra creterii plantelor. Aceste efecte au dovedit foarte curnd necesitatea de a lua un numr de precauii la manipularea surselor radioactive, pentru a evita pericolele legate de nghiirea substanelor radioactive i de aciunea radiaiilor penetrante provenite din exterior. Descoperirea nucleului. Izotopii. Prin 1911, se tia c electronii intr n constituia atomilor, iar Barkla demonstrase c fiecare atom conine aproximativ A/2 electroni. Experienele lui Rutherford au permis determinarea existenei nucleului atomic precum i determinarea ordinului de mrime al dimensiunilor nucleului i au furnizat primele manifestri ale forelor nucleare, provocate de om. n aceeai perioad (1913), J. J. Thomson a descoperit izotopii stabili. Studiind masa exact a atomilor de neon, el a observat dou specii de atomi, de mas 20 i 22, i a emis ipoteza c neonul este format din dou gaze cu proprieti chimice aproximativ identice, pe care F. Soddy le-a denumit izotopi. Aceste cercetri au fost reluate n 1919 de F. W. Aston, care a stabilit existena mai multor izotopi stabili la un mare numr de elemente. Transmutaiile radioactive. Transmutaiile corespund faptului c un nucleu este capabil s se transforme atunci cnd este supus bombardrii cu particule capabile s ptrund n interiorul lor. Aceast descoperire capital se datoreaz lui E. Rutherford, care a observat c prin bombardarea azotului cu radiaii , apar ioni de hidrogen sau protoni.

6

El a considerat c aceti protoni sunt emii de nucleu atunci cnd particula poate interaciona cu el. Foarte rapid s-au precizat i caracteristicile acestor transmutaii; s-a constatat c energia cinetic a protonilor emii poate s fie mai mare dect cea a particulei incidente i c, prin urmare, energia intern a nucleului intervine n fenomenul de transmutaie radioactiv. n 1923, P. M. S. Blackett a observat, prin fotografierea a 400.000 de traiectorii n camera Wilson, opt cazuri de transmutaie i a stabilit, din studiul traiectoriilor, c particula este captat de nucleu n cursul procesului de transmutaie. S-a admis imediat c principiile de conservare a energiei i a cantitii de micare sunt satisfcute n cursul transmutaiilor radioactive i, n particular, c energia intern corespunde variaiei de mas a sistemului.

B.

Radioactivitatea i fizica nuclear ntre 1930 i 1940.

Descoperirea neutronului. Dup realizarea primei transmutaii nucleare provocate de Rutherford n 1919, numeroi cercettori s-au consacrat studiului acestei noi ramuri a tiinei i au demonstrat posibilitatea transmutrii unui mare numr de elemente uoare, bombardate cu radiaiile ale poloniului. Slaba imtensitate a surselor folosite i raritatea fenomenului nu au permis identificarea elementelor formate i numai un studiu balistic putea demonstra de exemplu c n aluminiul bombardat cu radiaiile ale poloniului, se formeaz siliciu, n urma expulzrii unui proton cu energie mare. n 1930, W. Bothe i Becker au artat c un anumit numr de nuclee uoare, n special beriliul, litiul i borul, emit o radiaie foarte ptrunztoare cnd sunt bombardate cu radiaiile ale poloniului. Aceast radiaie era capabil s traverseze grosimi considerabile de materie, de exemplu mai mulI centimetri de plumb, fr o atenuare important. Folosind calculele lui Klein i Nishina, Bothe i Becker au propus explicarea acestei mari puteri de ptrundere prin natura electromagnetic a radiaiei respective i printr-o energie ridicat (14 MeV n

7

cazul beriliului) cu mult superioar radiaiilor cunoscute i foarte surprinztoare n acea vreme. "Radiaia beriliului" a lui Bothe i Becker a condus la numeroase cercetri experimentale, dar abia peste doi ani Irne Curie i Frdric Joliot aveau s descopere o proprietate i mai surprinztoare a acestei radiaii. Datorit cantitilor mari de radioelemente naturale disponibile la Institutul Radiului din Paris, ei au putut prepara surse intense de poloniu pentru a studia radiaia lui Bothe i Becker. Folosind ca detector o camer de ionizare, cu perete subire de aluminiu, ei au putut observa o cretere considerabil a curentului de ionizare n cazul intercalrii unei foie subiri dintr-o substan hidrogenat (celofan) ntre surs i detector. Dup cum au artat experienele de absorbie, acest efect se datora unei radiaii secundare emise de substana hidrogenat, care era complet absorbit de un ecran foarte subire de aluminiu. Proprietile acestei radiaii secundare erau identice cu cele ale "radiaiilor H" (ptotoni), ceea ce avea s fie confirmat i prin observarea protonilor de recul, n camera Wilson. Dup 1920, Rutherford a luat n considerare posibilitatea existenei unei particule neutre de mas apropiat de cea a protonului, pe care a denumit-o "neutron". Reluat ulterior i de ctre ali fizicieni, aceast ipotez nu avea, n 1932, nici o baz experimental sau teoretic. La Laboratorul Cavendish, unde se nscuse aceast ipotez, se terminase tocmai atunci de pus la punct un nou detector: camera de ionizare cu impulsuri. James Chadwick a reuit s demonstreze, cu ajutorul acestui detector, c nucleele de recul, produse prin aciunea radiaiei lui Bothe i Becker asupra diferitelor elemente, provin din ciocniri elastice cu o particul neutr, de mas apropiat de cea a protonului. Descoperirea experimental a neutronului de ctre J. Chadwick a permis introducerea unei noi componente n nucleele atomice i a eliminat principalele dificulti ale modelelor nucleare precedente. Un nucleu de sarcin Z i de greutate atomic A este deci format din Z protoni i din A-Z neutroni. Modelul atomului neutru, format din nucleu i din cortegiul su de Z electroni, nu mai necesita prezena greu de admis a electronilor nucleului, iar descoperirea neutronului furniza baze solide viitoarelor modele nucleare. Radioactivitatea artificial. n anumite cazuri, fenomenul materializrii unui foton poate avea loc n domeniul nucleului emitor. Aceast "materializare intern" a fost observat de I. Curie i F. Joliot n cursul studierii emisiei electronilor pozitivi de ctre beriliul bombardat cu particulele ale poloniului. Teoria acestui fenomen, elaborat la scurt timp de Oppenheimer i Nedelsky, concord n ceea ce privete numrul de perechi e-e, observate experimental. Dimpotriv, emisia de electroni pozitivi de

8

ctre fluor, aluminiu, sodiu i bor, iradiate, nu a putut fi explicat prin acest fenomen, iar electronii respectivi au fost denumiI de I. Curie i F. Joliot "electroni pozitivi de transmutaie". Transmutaia acestor elemente sub aciunea particulelor este nsoit n general de emisia unui proton de mare energie, dar n anumite cazuri sunt emii un neutron i un electron pozitiv (pozitron); aceste dou reacii nucleare diferite conduc la acelai element stabil. Studiul bilanului energetic al celor dou reacii a permis lui I. Curie i F. Joliot o nou determinare a masei neutronului i demonstrarea faptului c, spre deosebire de ceea ce se presupunea, aceast mas este superioar celei a protonului. Fisiunea uraniului. n reaciile de captur studiate de Fermi n 1934, un neutron este capturat de nucleul iradiat, iar nucleul format elibereaz o parte din energia acumulat, emind o radiaie . Noul nucleu este deci un izotop al substanei iniiale i, n majoritatea cazurilor, acest izotop este instabil datorit excesului de neutroni, ceea ce conduce la dezintegrarea lui cu emisia unui electron negativ. n final, se obine deci un nucleu cu sarcin pozitiv mai mare, care aparine unui element din csua superioar din tabelul periodic. Acest proces, care constituie o regul pentru toate nucleele grele, a cptat un interes deosebit odat cu aplicarea lui la uraniu. Fermi, Rasetti i d'Agostino au efectuat acast experien i au gsit patru radioelemente noi, dintre care ultimele dou nu erau izotopii nici unui element vecin al uraniului. Reaciile de fisiune n lan i energia nuclear. n momentul formrii lor, fragmentele de fisiune au un exces considerabil de neutroni fa de nucleele elementelor medii stabile. O parte din aceti neutroni se transform n protoni, n cursul unor emisii consecutive, dar mai muli fizicieni au presupus c trebuia s existe i o emisie a unei pri dintre neutronii excedeni chiar n momentul fisiunii. Existena acestui fenomen a fost demonstrat independent de Fermi, Anderson i Nanstein, Szilard i Zinn, F. Joliot, Halban i Kowarski i s-a stabilit c numrul mediu de neutroni emii pe fisiune variaz de la 2 la 3,5. Astfel, nc din 1939, se prea c s-a gsit o soluie n problema eliberrii energiei nucleare. ntr-adevr, fisiunea este nsoit de eliberarea unei cantiti considerabile de energie: energia cinetic a fragmentelor de fisiune i radioactivitatea consecutiv, n timp ce emisia de neutroni secundari poate permite ntreinerea fisiunii ntr-o mas de uraniu. Se prevedeau totui mari dificulti pactice, deoarece neutronii rapizi emii n momentul fisiunii trebuiau s fie ncetinii pentru a putea fi absorbii apoi de un nucleu de uraniu 235, cu un randament puin mai mare dect unu.

9

n Statele Unite, Fermi, Szilard, Wigner i Zinn au studiat la Universitatea Columbia i apoi la Princeton o reea format din uraniu i grafit. n cele din urm, prima pil atomic, construit la Chicago sub direcia lui Fermi, avea s devin utilizabil la 2 decembrie 1942. Aceasta a fost data declanrii primei reacii de fisiune controlat.C.

Reaciile nucleare.

Primele acceleratoare de particule. Descoperirea primelor transmutaii nucleare n 1934, a neutronului n 1932, i a radioactivitii artificiale n 1934 au avut loc prin folosirea ca proiectile a particulelor provenind din surse naturale. nc de la primele cercetri experimentale i teoretice asupra transmutaiilor s-a dovedit interesant accelerarea artificial a particulelor cu ajutorul tensiunilor nalte. n acest fel, ar fi fost posibil folosirea i a altor proiectile dect particulele , i n special a protonilor, care sunt particule mai simple. Intensitile particulelor astfel obinute ar fi devenit rapid cu mult mai mari dect cele furnizate de sursele naturale cele mai puternice din acea vreme. Se pute spera n posibilitatea obinerii unor energii mai mari dect cele ale radiaiilor naturale, datorit perfecionrii acceleratoarelor. n civa ani, rezultatele acestor obiective au depit orice ateptri. Eforturile au fost efectuate simultan n numeroase laboratoare. n 1932 J. D. Cockroft i E. T. S. Walton, n Marea Britanie, au reuit s realizeze pentru prima dat transmutaii nucleare cu protoni accelerai la 700.000 eV. n 1928-1930, Lauritsen, n Statele Unite, a obinut o tensiune foarte nalt prin intermediul unor transformatoare montate n cascad. n 1931-1932, Van de Graaff a realizat un accelerator electrostatic ce permitea ncrcarea unei sfere metalice goale cu ajutorul unei benzi n micare. Adevrata revoluie din acest domeniu a fost adus ns de instalaiile de accelerare periodic, n care aceeai tensiune de nalt frecven este aplicat de un mare numr de ori pentru a accelera un fascicul de particule prin mici aporturi succesive de energie. E. O. Lawrence I M. S. Livingston, de la Universitatea din California, au realizat, n 1932, primul ciclotron care furniza protoni de 1,2 milioane eV: particulele accelerate ntre cei doi electrozi urmeaz o traiectorie n spiral i pot fi extrase cu ajutorul unui electrod de deviere. Tot n aceeai perioad (1929-1934) au fost construite i primele acceleratoare liniare de ctre Widere, D. H. Sloan i alii, unde o tensiune de nalt frecven se aplic succesiv unor electrozi (cilindri) aliniai dup aceeai ax (coaxiali). Lungimea acestor cilindri crete cu viteza particulelor. Aspecte generale ale reaciilor nucleare.

10

Radioactivitatea i reaciile nucleare reprezint principalele dou tipuri de procese care permit explorarea structurii nucleului, deducerea diverselor lui caracteristici, cunoaterea micrilor interne i abordarea naturii forelor nucleare. Reaciile nucleare permit n principiu o analiz mai aprofundat deoarece, spre deosebire de radioactivitate, ele permit experimentatorului s varieze anumii parametri. Diverse tipuri de reacii nucleare. Reaciile cele mai simple corespund emisiei unei singure particule secundare; la nceput, ele erau dealtminteri singurele reacii care puteau fi studiate datorit micilor energii disponibile. Experimentatorii i teoreticienii au trebuit s introduc nc de la nceput o distincie ntre proiectilele neutre (neutronii) i proiectilele ncrcate (protoni, deuteroni, particule ); neutronii nu ntmpin nici o dificultate la ptrunderea n nucleu, deoarece nu sunt supuI dect unor fore nucleare de atracie; dimpotriv, particulele ncrcate, pentru a ptrunde n nucleu, trebuie s nving o barier de potenial datorat forelor coulombiene de respingere. Modele de reacii nucleare. Pentru a explica reaciile nucleare, au fost elaborate diferite modele. Aceste modele reuesc s explice corect o parte a unei realiti extrem de complexe; ele sunt n general valabile ntr-un anumit domeniu de energii i pentru anumite tipuri de reacii. Procesele reale corespund fr ndoial ansamblului de caracteristici prevzute de aceste modele. Doar cunoaterea exact a forelor nucleare i a proprietilor materiei nucleare va permite calculul precis al diferitelor reacii nucleare, cu condiia s tim s rezolvm din punct de vedere matematic problema. n 1936, Niels Bohr, Breit i Wigner, ca i Frenkel i mai trziu Weisskopf, au elaborat modelul nucleului compus, care permite interpretarea unui mare numr de reacii nucleare. Nucleul compus se formeaz atunci cnd particula incident ajunge la acea distan de nucleu la care acioneaz forele nucleare. Dac durata tarversrii nucleului de ctre nucleonul incident este relativ lung fa de durata rearanjrii din nucleul int, aciunea acestui nucleu se poate descrie printr-un potenial mediu, folosindu-se n acest caz modelul optic introdus de Feshbach, Porter i Weisskopf n 1954. Conform acestui model, nucleul este analog unei sfere de cristal transparente; asememeni unei radiaii luminoase, particula incident poate fi sau reflectat n sfera de cristal, sau absorbit. Tipuri speciale de reacii nucleare. n reaciile care conduc la fisiune, particula incident aduce nucleului suficient energie pentru ca acesta- n urma unor micri de vibraie- s se gseasc

11

ntr-o stare deformat (nesferic) instabil, forele coulombiene de respingere ntre protoni depesc n acest caz forele nucleare de atracie, iar nucleul se rupe n dou fragmente ce se deprteaz cu mare vitez unul de altul. Aceast explicaie a fisiunii, pe baza modelului picturii lichide, a fost dat de N. Bohr i Wheeler n 1939. Aceste reacii, care eliberez o mare cantitate de energie, stau la baza funcionrii reactorilor nucleari i a bombelor atomice.

D.

Aplicaii practice ale fenomenelor din fizica nuclear.

Producerea energiei electrice cu ajutorul centralelor nucleare. Centrale de tip CANDU Reactoarele CANDU sunt proiectate de Atomic Energy Canada Limited (AECL) ca o alternativ la alte tipuri de reactoare care utilizeaz uraniu slab mbogit (25% U 235). Reactoarele de tip CANDU pot fi utilizate i de ctre statele unde nu se pot realiza recipiente de foarte nalt presiune. Combustibilul reactoarelor CANDU este format din aglomerat de dioxid de uraniu coninnd uraniu natural (0.7% U 235).

12

Instalaia const dintr-un reactor orizontal (calandru) strbtut de o serie de tuburi n care se introduc barele de combustibil i de alte tuburi prin care circul agentul de rcire [(deuteriu) D2O]. n jurul acestora circul tot deuteriu avnd rol de moderator. Moderatorul este o substan ce intervine n procesul de fisiune, cu ajutorul creia se poate controla strict cantitatea de neutroni rezultai din reacia termonuclear pentru a se evita declanarea unei reacii n lan necontrolabile i cu efecte dezastruoase ( vezi Cernobl ). Moderatorul i circuitul de rcire constituie sisteme separate. O ,,celul'' a reactorului este alctuit din cinci tuburi de presiune separate. Fiecare tub conine o singur bar de combustibil nuclear ( uraniu ) lung de 0.5m i n greutate de 20 kg. Scufundate n apa grea pentru rcire. Fiecare celul constituie un minireactor mult sub masa critic, bineneles. Dup cum am mai spus, reactorul este aezat orizontal coninnd aceste celule. Mainile de alimentare trec pe la fiecare miez, una introducnd combustibil nou i alta scondu-l pe cel uzat din celulele nvecinate. ase pn la zece bare sunt nlocuite zilnic. Astfel fluxul axial de energie din reactor poate fi condus corect. Miezul termo-hidrodinamic al reactoarelor CANDU este mprit n dou pari egale printr-un perete vertical situat n mijlocul su. Fiecare parte are un circuit separat de rcire cu ap grea sub presiune plasat la cele dou capete ale reactorului. mprirea miezului n dou circuite, plus submprirea n cinci tuburi de presiune separate realizeaz o considerabil reducere a posibilitatii aparitiei unor eventuale accidente ,,LOCA'' (prin pierderea agentului de rcire). Pompele de rcire transport deuteriul ( D2O ) din reactor n schimbtorul de cldur, ntr-un circuit nchis, strict etan. n schimbtorul de cldur ( generatorul de abur) energia agentului primar de rcire preluat din reactorul nuclear, este cedat agentului secundar, apa obinuit, care se transform n abur sub presiune ce se folosete pentu acionarea unei turbine. Aceasta, la rndul ei, acioneaz un generator electric. n acest fel, energia nuclear se transform, n final n energie electric, asemeni celei produse de termo i hidrocentrale. Laserul. Cuvntul LASER este acronimul expresiei "ligth amplification by stimulated emission of radiation" (amplificator de lumin prin emisia stimulat a radiaiei). Laserul este un dispozitiv care produce i amplific un fascicul ngust de lumin coerent. Atomii emit radiaii . Cel mai banal exemplu sunt atomii excitai de neon din lmpile fluorescente. Normal, ele transmit lmina lor n toate direciile i asincron n timp. Astfel rezult o lumin nefocalizat, adic fotonii sunt emii n toate direciile i cu lungimi de und diferite. Principiul producerii luminii coerente - cu una sau cu un numr controlat de lungimi de und, orientat

13

ntr-o direcie precis - este de a gsi exact acei atomi cu exact acelai mecanism intern de stocare i de a gsi un mod ca ei s ,,coopereze'' pentru a elibera, sincron un fascicul de fotoni ntr-o direcie unic. Stimularea atomilor sau a moleculelor ntr-un laser, atomii sau moleculele unui cristal, cum ar fi rubinul sau granatul - sau un gaz, lichid, sau alt substan - sunt excitate n ceea ce se numete "laser cavity" care poate s fie, de exemplu, o bar de rubin ce este prevzut la capetele opuse cu dou oglinzi semitransparente. Excitarea iniial se realizeaz cu ajutorul unei lmpi cu xenon ce nconjoar cavitatea. Fotonii emii de lamp determin trecerea electronilor pe orbite de energie mai mic i o emisie de fotoni. Acest proces se numete "emisie stimulat". Fiecare foton emis se deplaseaz n acelai timp (coerent) cu fotonul care a stimulat emisia sa. Aceast pereche poate s stimuleze apoi emisia altor fotoni de ctre oricare alt atom cu care se ciocnete. La un laser, majoritatea electronilor prezeni sunt n stare excitat. Prin reflexii succesive pe suprafaa oglinzilor de la extremiti, acest proces se amplific, avnd drept rezultat eliberarea la un moment dat n exterior a unui fascicul de lumin coerent, monocromatic i sinfazic. Procesul din interiorul cristalului este foarte asemntor cu o reacie n lan. Aplicaii Realizate pentru prima oar n 1960, domeniul laserilor i-a extins sfera de aplicaii odat cu punerea la punct a laserilor cu semiconductori care prin dimensiunile lor foarte reduse se pot folosi ntr-o gam foarte mare de aplicaii. Laserii de putere cu medii solide, lichide sau gazoase se folosesc n industrie pentru tieturi i guriri de precizie n metale sau alte materiale, n medicina pentru chirurgia de precizie pe creier, pentru operaii pe ochi ( lipirea retinei, corectarea miopiei), n meteorologie pentru msurtori asupra cantitii de particule poluante din atmosfera, n telecomunicaii pentru transmisii de date, n special prin fibre optice. De asemeni au foarte multe aplicaii militare att pentru distrugerea direct a unor inte (cu laseri avnd energii foarte mari) ct i pentru ghidarea unor proiectile, bombe sau rachete spre int. De asemeni, o aplicaie foarte interesant a laserilor este posibilitatea realizrii unor imagini virtuale a obiectelor n spaiu, cu ajutorul tehnicilor i dispozitivelor holografice. Este interesant de a meniona faptul c principiile teoretice ale tehnicilor holografice au fost elaborate de fizicianul Denis Gabor nainte de inventarea dispozitivelor de producere a luminii coerente, laserul, care este dispozitivul strict necesar pentru realizarea hologramelor. Marea familie a laserilor de mic putere cu semiconductori au, de asemeni o gam foarte larg de aplicaii, cum ar fi : dispozitivele de citire a codurilor de bare, scanerele, imprimantele laser, CD-playerele etc.

14

Bomba atomic. 1.SCURT ISTORIC n data de 2 august 1939 puin nainte de nceperea celui de-al 2-lea rzboi mondial, Albert Einstein trimite o scrisoare preedintelui USA, Franklin. D. Roosevelt prin care el i numeroi ali savani l avertizeaz c n Germania nazist se lucreaz la purificarea uraniului 235 ( U-235 ) pentru a se construi o bomb atomic. De puin timp n USA se demarase de asemeni proiectul Manhattan care avea drept scop cercetarea, experimentarea i producerea unei bombe atomice. Problema cea mai complicat era producerea unei cantiti suficiente de U-235 mbogit. Mari uzine-laborator au fost construite n acest scop la Oak Ridge, Tennessee. Aici i-au desfurat activitatea H. C. Urey i ali savani de la Columbia University punnd la punct principiul difuziunii gazoase. Urmnd acest procedeu, Ernest. O. Lawrwnce (inventatorul ciclotronului ), lucrnd n laboratoarele universitii Berkley-California, a pus la punct metoda separrii magnetice a izotopilor U-238 i U-235. n ase ani, 19391945, proiectul Manhattan a absorbit mai mult de dou miliarde de dolari. Metoda rafinrii uraniului a fost definitivat i s-a trecut la realizarea primei bombe. La acestea i-au adus aportul cei mai mari savani ai vremii. Printe cei care au avut o foarte mare contribuie a fost i J. Robert. Oppenheimer. El a fost conductorul proiectului Manhattan. Totul a mers foarte repede. La ora 05:29:45 n ziua de 16 iulie 1945, la baza militar Jemez Mountains din nordul statului New Mexico, Gadget (numele de cod al primei bombe atomice) exploda, marcnd nceputul erei armelor nucleare. Lumina exploziei s-a vzut pe o raz de 120 mile. Imediat dup exeperien, vznd efectele cumplite ale exploziei, o parte din savanii participani au semnat o scrisoare de avertizare i protest dar n-au fost luai n seam. Aceast cumplit arm a fost utilizat de dou ori n cel de-al 2-lea rzboi mondial. Ambele explozii au avut loc deasupra unor orae japoneze. O bomb cu uraniu n greutate de 4.5 tone ,,alintat'' Little Boy a fost lansat asupra localitii Hirosima n data de 6 august 1945, ora 08:15:00. Ea a explodat la o nlime de 240 m. deasupra solului fiind lansat de pe avionul al crui nume a intrat n istorie : Enola Gay. 66.000 de oameni au murit pe loc iar ali 69.000 au fost rnii de explozia atomic avnd puterea de 10 kilotone [puterea echivalent a 10.000 tone de explozibil convenional (trinitrotoluen)]. n data de 09 august 1945, o a doua bomb a fost lansat asupra localitii Nagasaki. Aceasta (Fat Man) era o bomb cu plutoniu avnd o putere de 10 kilotone. 39.000 de oameni au fost omori pe loc iar ali 25.000 rnii. Estimrile ulterioare ale fizicienilor au artat c efectele produse de bombe s-au datorat unei pri de 0.1% din puterea real a exploziilor.

15

2 . ZONELE AFECTATE IMEDIAT DUP O EXPLOZIE NUCLEAR Raportndu-ne la epicentrul exploziei ( puctul n care are loc detonaia) se disting umtoarele zone concentrice: -a. Punctul de vaporizare Orice urm de substan este vaporizat de energia exploziei. 98% mortal. Suprapresiunea creeat : 25 psi. Viteza suflului : 320 km/h. -b. Zona de distrugere total Orice construcie de pe suprafaa pamntului este distrus. 90% mortal. Suprapresiune creeat: 17 psi. Viteza suflului: 290km/h. -c. Zona de explozie puternic Uzinele i alte construcii de mari dimensiuni sunt distruse, de asemeni podurile de mari dimensiuni. 65% mortal. 30% rniri grave. Suprapresiune: 9 psi. Viteza suflului: 260 km/h. -d. Zona de ardere puternic Totul este incendiat. Populaia din zon se sufoc datorit lipsei de oxigen provocat de incendii. Mortalitate 50%. Suprapresiune: 6 psi. Viteza suflului: 140 km/h. -e. Zona de ardere i distrugere puternic Locuinele sunt puternic afectate. Populaia se sufoc. Supravieuitorii sufer arsuri de gradul 2 i 3. Mortalitate: 15%. 50% rnii. Suprapresiune 3 psi. Viteza suflului: 98 km/h Efectele de iradiere pentu o bomb de 20 megatone explodnd n aer la 5000m. - Zona a: 8.75 mile - Zona b: 14 mile - Zona c: 27 mile - Zona d: 31 mile - Zona e: 35 mile De asemeni exploziile nucleare produc dereglri puternice in reelele de telecomunicaii datorit fenomenelor de ionizare ce apar. 3. STRUCTURA UNEI BOME ATOMICE Exist dou tipuri de explozii nucleare : - Explozia prin fisiune direct, necontrolat, care elibereaz brusc o mare cantitate de energie ( E = mc ) folosind U-235, de exemplu. - Explozia prin fuziune nuclear, ce este amorsat cu ajutorul energiei unei reacii de fisiune, care dezvolt energia necesar amorsrii unei reacii de fuziune necontrolat (bomba cu hidrogen) a crei energie rezult din reacia de fuziune a diveri izotopi ai hidrogenului cu degajare de heliu.

16

Se tie c n timpul ,,ruperii'' atomului de U-235, se degaj o mare cantitate de energie, sub form de cldur i radiatii ( care sunt printre cele mai penetrante i periculoase ).

Mecanismul producerii exploziei nucleare const n declanarea, la un moment dat, a unei reacii n lan care se las s evolueze necontrolat. Cantitatea de neutroni produs la amorsarea fisiunii, crete n progresie geometric. Cantitatea minim de substan necesar declanrii reaciei n lan se numete "masa supracritic" i depinde de puritatea materialului folosit. Pentru U235 pur, ea este de 50 kg. Pentru realizarea bombelor se mai poate folosi i Plutoniu ( Pu-239 ). Masa supracritic pentru Plutoniu 239 este de 16 kg. Explicaii referitoare la mecanismele din desenul bombei Altimetrul [5]. Folosete la declanarea bombei, dup lansare la o anumit altitudine. Poate fi un altimetru de aviaie folosind un barometru aneroid. De asemeni se folosesc altimetre radar n banda de 4200 MHz. Precizia este mai bun de 1.5m. Detonator barometric [3] . Se foloeste pentru declanarea exploziei, n combinaie cu altimetrul. Cap detonator [7] . Este constituit dintr-o fraciune a ncrcturii de U-235 . mpreun cu restul ncrcturii de uraniu constituie masa supracritic. Exploziv convenional [8]. Servete la unirea violent a celor dou cantiti de U-235 pentru realizarea masei supracritice i declanarea exploziei nucleare la altitudinea stabilit n momentul lansrii bombei din avion i determinat cu ajutorul altimetrului. Uraniu-235 [10] . mpreun cu capul detonator [7] constituie masa supracritic. Desenul bombei [1] con posterior [2] ampenj stabilizator [3] detonator barometric [4] tuburi de acces aer [5] altimetru [6] container de plumb [7] cap detonator [8] exploziv convenional - [9] - [10] - [11] - [12] - [13] - [14] capac U-235 deflector neutroni dispozitiv telemetric recipient cu U-235 focos

-

-

-

17

GLOSAR DE TERMENI UTILIZA I N CADRUL LUCR RII - Accelerator de particule: Un dispozitiv ce utilizeaz un cmp magnetic sau electric pentru a mri viteza (i energia) unor particule ncrcate. Ca tipuri constructive amintim ciclotronul i betatronul iar, n cazul fuziunii, tokamak-ul. - Deuteriu : Izotop al hidrogenului coninnd n nucleu un proton i un neutron i avnd masa atomic 2. Deuteriul se comport ca i hidrogenul n reaciile chimice dar prezint diferene semnificative n reaciile nucleare . - Electron volt (eV) : Unitate de masur pentru energie, egal cu energia acumulat de un electron cnd este accelerat la o diferen de potenial de 1 volt . 1 eV = 1.6022x10 9 Joules. - Energie atomic : Energie rezultat din conversiile masenergie ce se produce drept rezultat al reaciilor nucleare. - Energie legat : n reaciile nucleare, energia asociat cu nlocuirea unui proton i/sau neutron n nucleu; n chimia standard, este energia asociat cu realizarea unei legturi electronice sau cu ruperea acesteia. - Fisiune : Reacie nuclear n care un nucleu atomic mare este spart n dou sau mai multe nuclee, proces nsoit de eliberarea unei mari cantiti de energie. Ecuaia lui Einstein, E=mc se poate utiliza pentru a exprima cantitatea de energie produs prin schimbrile de mas datorate reaciei de fisiune. Aceast reacie se utilizeaz n ultimii 50 de ani pentru a produce energie. n reacia spontan de fisiune a uraniului, un atom se ,, rupe'' ntr-un atom de bariu i unul de krypton i se elibereaz trei neutroni rapizi pentru fiecare atom. Dac procesul continu n acelai ritm, se va produce o reacie n lan, cu degajarea unei imense cantiti de energie. - Formula lui Einstein : E=mc arat masa pierdut (m) ntr-o reacie nuclear, n cazul producerii unei cantiti de energie (E) unde c = 300000000 m/s este viteza luminii n vid. Deoarece cantitatea de mas pierdut este multiplicat cu un numr foarte mare (c), reiese c o cantitate enorm de energie poate fi produs, prin consumarea unei mase foarte mici. Bineneles, aceste concluzii sunt valabile numai n cazul mecanicii cuantice. - Foton : o singur cuant de radiaie electromagnetic. n dualitatea masenergie aceasta este considerat o particul de radiaie. - Fuziune : reacia nuclear prin care dou nuclee atomice uoare se combin pentru a forma un alt element i pentru a elibera energie. Producerea oricrui

18

element, ncepnd cu nichelul (Ni) se poate realiza prin procesul de fuziune (nucleosintez). Bombardamentul cu neutroni al mediului duce la formarea altor nuclee grele. Acest proces, odat pornit este responsabil de prezena elementelor grele i a heliului n univers. - Ion : un atom sau molecul care a primit sau a pierdut unul sau mai muli electroni i avnd o sarcin electric pozitiv sau negativ . - Izotop : unul dintr-un grup de nuclizi care are acelai numr de protoni n nucleul su i un numr diferit de neutroni. Numeroase elemente au izitopi instabili, devenind radioactivi si emind radiaii ionizante n timp ce se transform n alt element sau izotop. Izotopii hidrogenului sunt H (deuteriu), i H (tritiu). - Mecanica cuantic: parte a fizicii care se ocup cu studiul micrii particulelor elementare i a interaciunilor dintre acestea. Aici, legile mecanicii clasice au un domeniu de aplicare foarte restrns. - Neutron : o particul elementar care are aproximativ aceeai mas cu a protonului, dar nu are sarcin electric, i este un constituent al nucleului avnd numrul de mas mult peste 1. - Nucleon : O subparticul a unui nucleu atomic: un neutron sau un proton. - Numr atomic : Z = numrul protonilor din nucleul unui atom . - Numr de mas : Numrul total de protoni i neutroni din nucleul unui atom sau ion. - Particule alpha : He + , particule incrcate pozitiv constnd n doi protoni i doi neutroni; notate cu litera greceasc , nuclee de heliu-4. Aceste particule sunt un produs tipic al reaciei de fuziune . - Particul beta : un electron emis de nucleul unui element radioactiv i notat cu litera greceasc . -Plasma : O stare a materiei caracterizat printr-o ncrcare negativ (electroni) i pozitiv (ioni pozitivi), care poate conduce curentul electric. Plasma este considerat i cea de a patra stare a materiei, alturi de cea solid, lichid i gazoas. Se estimeaz c 99% din materia ce constituie universul exist sub form de plasm; ex.: stelele, nebuloasele i particulele interstelare. Temperatura tipic a plasmei este de cel puin 100.000K, iar densitatea ntre 106/m3 (vntul solar) i 1030/m3 (centrul stelelor). - Radiaie : energie care strbate spaiul sub form de unde sau particule. Lumina vizibil, cldura, microundele i undele radio sunt exemple de radiaii neionizante. Radiaiile , , , neutronii i razele X reprezint radiaii ionizante.

19

Radiaie electromagnetic : Radiaie constnd ntr-un ansamblu de unde electrice i magnetice deplasndu-se prin spaiu sau un mediu oarecare. n general aceste unde au o component ,,E'' a c mpului electric, o component ,,B'' a cmpului magnetic i o component direcional. Acest cmp se propag cu viteza luminii . Lumina vizibil,cldura, microundele, i undele radio sunt exemple de radiaii electro- magnetice. - Radioactivitate : dezintegrarea spontan a nucleului anumitor elemente, cum este uraniul. n acest proces sunt emise radiaii , i . - Reactor : recipient n care se produc reacii nucleare sau chimice. n reactoarele ncleare, fisiunea unui combustibil nuclear elibereaz energie sub form de caldur care este absorbit de un fluid (de obicei, ap). Apa, sub form de vapori acioneaz turbine conectate la generatoare care produc energie electric. - Reacia de fuziune spontan : este cea care ntreine viaa tuturor stelelor care la rndul lor au pemis apariia vieii n Univers. - Reacie n lan : rapida accelerare a multiplicrii reaciilor de fisiune rezultnd o multiplicare a neutronilor la fiecare pas al reaciei. O succesiune necontrolat de reacii n lan ntr-o cantitate suficient de mare de substan (mas critic) poate produce o eliberare exploziv i necontrolabil de energie. Fenomenul este folosit la realizarea armamentului nuclear. - Reacie nuclear : o reacie implicnd nucleul unui atom, care modific energia, compoziia sau structura atomului. Prin reaciile nucleare se elibereaz energie att n cazul fisiunii la spargerea n dou elemente grele, ct i n cazul fuziunii, cnd prin combinarea a dou elemente uoare, rezult un element greu. - Spectrul electromagnetic : este domeniul de propagare al undelor electromagnetice. n domeniul vizibil al undelor electromagnetice se situeaz lumina. Celelalte domenii includ unde cu frecven mai cobort dect a luminii : undele radio, microundele i radiaiile infraroii. Frecvenele mai ridicate dect cele vizibile (lumina) cuprind ultravioletele, razele X i gamma. - Tokamak : un ghid magnetic care susine procesul de fuziune, numit astfel dup cuvntul rusesc ce desemneaz un cmp magnetic de form toroidal. Acest cmp magnetic inelar constituie suportul particulelor n care se produce procesul de fuziune. El este necesar datorit temperaturilor imense care se dezvolt n timpul reaciei i care ar vaporiza instantaneu orice substan cu care ar intra n contact direct. - Uraniu : Element cu numrul atomic 92. Un metal alb, ductil i maleabil. Uraniul se gsete n natur sub form de oxid. Are trei izotopi cu numerele de mas 238, 235 i 234. U235 cu 92 protoni i 143 neutroni, este important deoarece este radioactiv i este folosit n fisiunea nuclear cu neutroni leni.

20

BibliografieIstoria general a tiinei - Publicat sub coordonarea lui Ren Taton, Editura tiinific, Bucureti, 1972 - Arborele lumii - www.angelfire.com - www.magma.ca - www.lucent.com-

Autorul lucrrii: Lauby Cristina cls. a IX-a B Liceul teoretic Iancu de Hunedoara

21