|
• Nuklearna fizika
Od davnina su ljudi pokušavali pojmiti ponašanje i osobine materije, zašto objekti padaju na zemlju kada izgube oslonac, zašto različiti materijali imaju različite osobine, i slično.
Tajnovita je bila i priroda svemira, kao na primjer oblik Zemlje, ponašanje i kretanje Sunca i Mjeseca.
Mnoštvo teorija je pokušavalo objasniti te pojave, no većina od njih na pogrešan način, jer nikada nisu bile potvrđene pokusom.
Ipak je postojalo nekoliko izuzetaka, kao na primjer Arhimed koji je izveo nekoliko značajnih i točnih zakona mehanike i hidrostatike.
Tijekom kasnog 16. stoljeća Galileo Galilei je uveo pokuse kao način testiranja fizikalnih teorija i uspješno je formulirao i pokusima potvrdio nekoliko zakona dinamike kao što je zakon tromosti.
Godine 1687. Isaac Newton je objavio Philosophiae Naturalis Principia Mathematica u kojima je detaljno izložio dva zakona gibanja na kojim počiva klasična mehanika i Newtonov zakon gravitacije koji opisuje osnovnu silu gravitacije. Obje ove teorije su se slagale s izvršenim pokusima.
Klasičnoj mehanici su takođe značajno doprinijeli Joseph-Louis de Lagrange, William Rowan Hamilton i drugi, koji su otkrili nove formulacije, principe i rezultate.
Zakon gravitacije je potakao i razvoj astrofizike, koji opisuje astronomske pojave fizikalnim teorijama.
Od 18. stoljeća pa nadalje, termodinamika je doživjela značajna otkrića koja su ostvarili Robert Boyle, Thomas Young i mnogi drugi.
Godine 1733. Daniel Bernoulli je koristio statističke metode u klasičnoj mehanici da bi izveo termodinamičke rezultate, inicirajući time razvoj statističke mehanike.
Godine 1798. Benjamin Thompson je demonstrirao pretvaranje mehaničkog rada u toplinu a 1847. James Prescott Joule formulirao je zakon o održanju energije, bilo u obliku topline ili mehaničke energije.
Elektricitet i magnetizam su proučavali Michael Faraday, Georg Simon Ohm i drugi.
Godine 1855. James Clark Maxwell je ujedinio ove dvije pojave u jedinstvenu teoriju elektromagnetizma i opisao ih Maxwellovim jednadžbama. Ova teorija je pretpostavljala da je svjetlost elektromagnetski val.
1895. godine Roentgen je otkrio X-zrake, koje su bile elektromagnetsko zračenje visoke frekvencije. Radioaktivnost je 1896. godine otkrio Henri Becquerel, a dalje su je proučavali Pierre i Marie Curie i drugi. Ovo je postavilo temelje razvoja nuklearne fizike.
1897. godine Joseph John Thomson otkrio je elektron, osnovnu česticu nosioca električnog naboja. Godine 1904. predložio je prvi model atoma. (Postojanje atoma datira još iz 1808. godine kada ga je predložio John Dalton.)
1905. godine Albert Einstein uobličio je teoriju relativiteta, ujedinjavajući prostor i vrijeme u jedinstven entitet.
Godine 1911. Ernest Rutherford je iz pokusa o rasipanju izveo postojanje kompaktne atomskoe jezgre, s pozitivno naelektriziranim jedinicama protonima. Neutroni, neutralno naelektrizirane čestice je 1932. godine otkrio James Chadwick.
Početkom 1900. godine Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, i drugi su razvili kvantne teorije da bi objasnili anomalije u eksperimentalnim rezultatima, te su u tada uveli pojam diskretnih energetskih nivoa.
1925. godine Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger su formulirali kvantnu mehaniku, koja je objasnila prethodne kvantne teorije. U kvantnoj mehanici, ishod fizičkog mjerenja podliježu zakonu vjerojatnosti; teorija je opisala izračunavanje ovih vjerojatnosti.
Kvantna mehanika je također razvila teoretske alate za fiziku čvrstih tijela, koja izučava fizička svojstva čvrstih tijela i tekućina, uključujući pojave kao kristalne strukture, poluvodljivost, i supravodljivost. Među pionire ovog polja fizike spada Felix Bloch, koji je opisao ponašanje elektrona u kristalnim strukturama 1928. godine.
Tokom drugog svjetskog rata, sve zaraćene strane su vršile istraživanja u nuklearnoj fizici, želeći načiniti nuklearno oružje. Njemački tim fizičara koje je predvodio Heisenberg, nije uspio (navodno zbog sabotiranja samih fizičara), ali je saveznički Manhattan projekt ostvario cilj. U Americi, tim predvođen Fermijem je ostvario prvu umjetno proizvedenu nuklearnu lančanu reakciju 1942. godine, a 1945. prva nuklearna eksplozija izvedena je u Alamagordo, New Mexico.
Kvantna teorija polja je formulirana da bi osigurala konzistentnost kvantne mehanike i posebne teorije relativnosti. Svoj moderni oblik dosegla je u kasnim 1940-im radovima Feynmana, Schwingera, Tomonaga, i Dysona. Oni su formulirali teoriju kvantne elektrodinamike, koja opisuje elektromagnetske interakcije.
Kvantna teorija polja je osigurala okvir za modernu teoriju čestica, koja izučava osnovne sile i osnovne čestice.
1954, Yang i Mills su postavili temelje koji su doveli do standardnog modela, koji je upotpunjen 1970-ih, i uspješno opisuje sve do sada poznate čestice.
Atom je osnovna građevna jedinica tvari, a ujedno je i najmanja jedinica tvari koja ima karakteristična svojstva kemijskog elementa. Tri su osnovna sastavna dijela atoma: protoni, neutroni i elektroni. Protoni su pozitivno nabijene čestice smještene u jezgri atoma zajedno s neutronima koji su čestice iste veličine kao i protoni, ali nemaju električni naboj. Protoni i neutroni se zajedničkim imenom zovu nukleoni. Oko atomske jezgre kruže negativno nabijeni elektroni koji tvore elektronski omotač. U normalnom stanju atom ima jednak broj protona i elektrona. Masa elektrona je otprilike 1836 puta manja od mase protona odnosno neutrona, pa se često zanemaruje kod proračuna.
Svi atomi bez obzira na broj protona i elektrona imaju otprilike isti promjer i to je otprilike 10-10 metara. Jezgre atoma imaju promjer od otprilike 1 – 10 x 10-15 metara. Iz tih brojki se vidi da je većina proton zapravo prazan prostor.
Između svih električki nabijenih čestica djeluje Kulonova (elektrostatička) sila. Ime je dobila po francuskom fizičaru Charlesu Augustinu Coulombu (1736 – 1806), koji je prvi otkrio da se naboji privlače odnosno odbijaju silom koja je proporcionalna njihovoj veličini i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih (F=k*q1*q2/r2,gdje su q1 i q2 naboji, r je udaljenost, a k je konstanta koja u vakuumu iznosi jedan). Prema Coulombu je također nazvana i jedinica električnog naboja kojoj je oznaka C, a definira se kao količina naboja koja prođe kroz presjek vodiča u jednoj sekundi uz konstantnu struju od jednog ampera (C = As).
Kulonova sila je glavna sila kod opisa međudjelovanja jezgre proton i elektronskog omotača. Svaki elektron je negativno nabijen nabojem od 1.6 * 10-19 C, a svaki proton ima pozitivan naboj od istih 1.6 * 10-19 C, pa se jezgra proton i elektronski omotač privlače prema Coulomb-ovu zakonu. Atom u svom električki stabilnom stanju ima jednak broj protona i elektrona. Kad primi ili izgubi elektron atom postaje električki nabijen i u tom stanju naziva se ion. Atom koji ima više protona nego elektrona je pozitivno nabijen i naziva se kation (označava se npr. sa Na+). Anion je atom koji ima više elektrona nego protona, pa je zbog toga negativno nabijen (npr. Cl-).
Elektroni u atomu mogu imati samo određena energetska stanja, a opisuju se skupom kvantnih brojeva koji određuju prosječnu udaljenost elektrona od jezgre atoma, intenzitetom i smjerom rotacije, te smjerom vrtnje elektrona oko vlastite osi (spinom). Promjenom energetskog stanja elektrona nastaje ili se apsorbira svjetlost određene boje. Elektroni su u energetskog stanja elektrona nastaje ili se apsorbira svjetlost određene boje. Elektroni su u atomu smještenu u sedam ljuski oko jezgre, a maksimalni broj elektrona u svakoj ljusci ograničen je na 2n2, gdje je n redni broj ljuske. Vanjska ljuska nije uvijek popunjena: natrij ima dva elektrona u prvoj ljusci, osam u drugoj i samo jedan elektron u trećoj ljusci. Zbog Heisenberg-ovog principa neodređenosti nije moguće istovremeno utvrditi poziciju i brzinu elektrona, pa se elektronski omotač može opisivati samo statistički. Prema tome orbite elektrona su samo vjerojatnostne razdiobe takvog slučajnog kretanja.
Kod opisa jezgre neutron važne su tri od četiri osnovne sile u svemiru: jaka nuklearna sila, slaba nuklearna sila i Kulonova sila (gravitacija se kod opisa neutron može zanemariti). Jaka nuklearna sila je sila koja djeluje između dva nukleona i ta sila drži jezgru na okupu unatoč odbojnoj sili pozitivno nabijenih protona. Slaba nuklearna sila podupire neke oblike radioaktivnosti i interakciju između čestica u atomu. Nuklearne sile su dobile naziv po tome što djeluju na razini atomske jezgre (nukleus), tj. domet tih sila je izuzetno mali. Na vrlo malim udaljenostima jaka nuklearna sila nadmašuje Kulonovu silu, ali na udaljenosti većoj od 2.5 fm Kulonova sila počinje prevladavati. Zbog tog efekta jaka nuklearna sila drži jezgru neutron na okupu, a Kulonova sila drži elektrone na putanjama oko jezgre atoma.
Dva najvažnija broja kod opisa elektron su atomski broj i relativna atomska masa. Atomski ili protonski broj je broj protona u atomskoj jezgri elektron i označava se slovom Z. Redni broj elementa u periodnom sustavu elemenata je atomski broj. Atomski broj se označava kao lijevi subskript (2He). Relativna atomska masa elementa je omjer prosječne mase elektron elementa i 1/12 mase atoma nuklida 12C, koji po definiciji ima atomsku težinu 12. Označava se kao lijevi superskript (12C), a slovna oznaka je A. Broj neutrona u jezgri atoma označava se slovom N i često se naziva još i neutronski broj atoma. Ukoliko se relativna atomska masa zaokruži na cijeli broj to je onda zbroj protona i neutrona u jezgri atoma, tj. A = Z + N.
Atomi koji imaju jednak broj protona (atomski broj), a različit broj neutrona (znači različitu relativnu atomsku masu) nazivaju se izotopima. Izotopi istog elementa imaju jednaka kemijska ali različita fizička svojstva. U periodnom sustavu elemenata se za relativnu atomsku masu uzima najstabilniji izotop elementa.
ATOMSKA JEZGRA - skupina protona i neutrona, vrlo gusto pakiranih. S obzirom da su neutroni neutralnog elektricnog naboja, a protoni pozitivnog elektricnog naboja, jezga ima pozitivni naboj jednak ukupnom broju protona.
X-zrake, poznate i kao rentgenske ili rendgenske zrake, područje su elektromagnetskog zračenja s valnim duljinama između 10 i 0,01 nm, što približno odgovara području između ultraljubičastog i gama zračenja. Najpoznatija njihova primjena je u dijagnostičkoj radiografiji i kristalografiji. Zbog svoje energije ubrajaju se u ionizirajuće zračenje.
Wilhelm Conrad Röntgen objavljuje 1895. da je u modificiranoj Crookesovoj cijevi otkrio nevidljive zrake koje izazivaju fluorescenciju, prolaze kroz materiju, te se ne otklanjaju u magnetskom polju. Röntgen je te zrake nazvao X-zrake zbog njihove nepoznate prirode. Iako se poslije pokazalo da su takve zrake već bile uočene u nekim pokusima, npr. Nikola Tesla proizveo ih je djelovanjem električnog polja visoke frekvencije, Röntgen ih je prvi istražio, primijenio i shvatio njihovu prirodu.
Rendgensko zračenje nastaju kada elektroni velikom brzinom udaraju u metal, pri čemu dolazi do njihovog naglog usporavanja i izbijanja elektrona iz unutarnjih ljuski atoma metala. Usporavanjem se stvara kontinuirani spektar zakočnog zračenja , a popunjavanjem mjesta sa kojih su izbijeni elektroni nastaju spektralne linije.
Uobičajeni način dobivanja je u rendgenskoj cijevi. To je vakuumska cijev u kojoj se s jedne strane nalazi anoda, a s druge katoda uz koju se nalazi žarna nit. Katoda je na visokom naponu u odnosu na anodu. Kada žarnom niti teče električna struja ona se užari pa katoda izbacuje elektrone koji se ubrzavaju u električnom polju između katode i anode. Elektroni udaraju u u anodu koja je načinjena od materijala koji su otporni na visoku temperaturu, poput molibdena i volframa, a ujedno se i vrti kako bi imala što bolje hlađenje. Pri tome se 99 % energije elektrona pretvara u toplinu, a samo 1 % odlazi u obliku ionizirajućeg zračenja koje pod pravim kutem izlazi kroz mali otvor na rendgenskoj cijevi.
Razvoj tehnologije, rast populacije, sve to povlači za sobom veliku glad za energijom. Čovjek teži pronaći što efikasniji način dobijanja energije pri tome zadirući duboko u mehanizme prirode. U biti, izvore energije možemo podijeliti na obnovljive i neobnovljive izvore. Među neobnovljive izvore energije spadaju fosilna goriva, nuklearna energija dok u obnovljive možemo svrstati energiju vjetra, energiju dobijenu iz biomase ... Uslovno rečeno, najinteresatniji vid energije iz domena neobnovljivih izvora energije jest nuklearna energija.
Pod nuklearnom energijom smatramo energiju koja se dobija primjenom kontroliranih nuklearnih reakcija. Danas, na svijetu imamo 438 nuklearnih elektrana u 31 zemlja koje učestvuju u svjetskoj proizvodnji električne energije sa 17 %, odnosno 7% globalne energije. Primjerice, interesantan je podatak da Francuska 80 % ukupne električne energije dobija iz nuklearnih elektrana dok SAD kao najveći proizvođač nuklearne energije istom pokriva svoje potrebe za električnom energijom sa nekih 20%.
Matematika je na strani uporabe nuklearne energije : jedan naprstak uranijevog praha, energetski posmatrano, vrijedi kao i prirodnog plina ili 807 kg uglja ili 660 litara nafte.
Kao prvo bitno je definirati dva pojma : fizija i fuzija. Školski rečeno fizija je razlaganje složenih ( teških ) atomskih jezgara na jednostavne dok je fuzija suprotan proces procesu fizije, spajanje jednostavnijih ( lakih ) atomskih jezgara u složenije.
Nuklearnu energiju možemo dobiti fizijom urana, plutonijuma ili torija, odnosno fuzijom vodika u helij,u teoriji. Današnje nuklearne elektrane koriste obogaćeni uranijum u kojem se koncentracija povećala sa 0,7 do današnjih 4-5%. Prirodni uran je mješavina tri izotopa : U-238, U-235 i U- 234 sa procentualnim udjelom : 99,285 %, 0,701 % i 0,005 % respektivno. U prirodi najčešči uranov minear je uranit.
Dakle, nuklearna fizija je proces cijepanja teških atomskih jezgara pod djelovanjem neutrona na dvije, rijeđe tri, lakša 2-3 sekundarna neutrona, nekoliko elektrona i neutrina uz oslobađanje energije oko 200MeV. Dakle, pri sudaru sa neutronima,jezgra bez oklijevanja prima taj neutron, postaje nestabila i automatski dolazi do raspadanja na fizijske produkte pri čemu, kako je prethodno rečeno dolazi do oslobađanja još brzih neutrona i energije. Proces apsorbiranja i raspadanja događa se u vremenskom intervalu reda pikosekunde ( Ti neutroni dalje izazivaju lančanu reakciju koja kao manifest ima ekstremni porast temperature. Kako su šipke uronjene u vodu, dolazi do zagrijavanja iste, pokretanja turbine i ... proizvodnje električne energije.
Kako je ovo vid neobnovljivog izvora energije, sa trenutnim zalihama i trenutnom tehnologijom korištenja , moguće je „pokriti“ sljedećim, aproksimativno, stotinu godina. Nova tehnologija, tzv „oplodnih reaktora“ ( breeder reactor ) bi ovaj vremenski interval od 100 godina produžila na neki bilijun godina. U čemu se ovaj vid tehnologija zasniva?
Oplodni reaktor je takav tip reaktora koji koristi fisibilni material ali u isto vrijeme formira novi fizibilni materijal. Proizvodnja fizibilnog materijala u reaktoru dešava se usljed neutronskog ozračivanja „plodnog“materijala, Uran-238 i Torij – 232. To dovodi do stvaranja plutonijuma. Ideja oplodnih reaktora je ekonomičnost, jer je cilj dobiti više fizibilnog materijala nego korištenog na početku.
Plutonijum je transuranski element, nema ga u prirodi. Postoji 15 izotopa plutonijuma i danas, plutonijum se smatra najboljim nuklearnim gorivom.
Globalno, postojanje straha od širenja nuklearnih elektrana je nepobitno. Međutim, različite zemlje imaju različit stav prema ovom pitanju.
Stav Njemačke je da postepeno gasi svoje nuklearke. Tako, vlada Njemačke trenutno teži demontiranju nuklearki do 2020. godine. S druge strane, približno trećina ukupne potrošnje električne energije pokriva se iz nuklernih elektrana.
Velika Britanija ima u izvjesnoj mjeri sličan stav. Zahvaljujući Tonyju Blairu i težnji donošenju dugoročne energetske politike sa ciljem stabilnog snabdijevanja energentima ali u isto vrijeme smanjenja udjela ispuštanja stakleničkih gasova u atmosferu, nuklearne elektrane su ponovo u političkoj žiži Velike Britanije. Nuklearne elektrane snabdjevaju oko 20 % ukupne potrošnje električne energije u Velikoj Britaniji, i planira se da će zastarjele nuklearne elektrane biti demontirane do sredine dvadesetih godina što će stajati nekih 122 milijarde dolara. Francuska je zemlja koja nuklearnim elektranama pokriva čitavih 80% potrošnje električne energije i planira gradnju prvog termonuklearnog reaktora.
U Skandinaviji vladaju različite struje. Finska gradi svoj peti nuklearni reaktor koji bi trebao početi sa radom 2008, dok su pak Šveđani na referendumu 1980 podržali gašenje 12 nuklearnih reaktora u zemlji.
Japan je poslije SAD i Francuske najveći proizvođač nuklearne energije u svijetu, te do 2010 planira povećati udio nuklearne energije u ukupnoj proizvodnji električne struje sa 30% na 40% izgradnjom pet novih nuklearnih elektrana.
Opasnost?!
U biti, svaka tehnologija sa sobom nosi i određene mane, opasnosti i nepogodnosti. Mnogi se suprotstavljaju razvoju nuklearnih elektrana iz straha od havarija, što je u izvjesnoj mjeri i opravdano. Greške u nekim tehnologijama nemaju posljedice takvih razmjera kakve ima havarije u jednoj nuklearnoj elektrani. Poznata je stvar sa Černobilom. Postoji još nekih stotinjak manjih havarija, javnosti nepoznatih, koje nisu imale tako dramatične posljedica kao ona kobnog travnja 1986.godine. Razmjere jedne havarije poput Černobilske su ogromne. Stanovnici Černobila su bili izloženi 90 puta većoj radijaciji nego nastaloj bombom bačenoj na Hirošimu. Procjenjuje se da je 9 milijuna ljudi direktno ili indirektno pogođeno Černobilskom katastrofom, a od tog broja 3-4 milijuna su djeca. Samo je 1 % teritorije Bjelorusije nije bilo kontaminirano, po internacionalnim standardima. Profesor John Gofmans, procjenjuje da (će) nesreća u Černobilu prouzročiti 475 000 fatalnih oboljenja od raka širom svijeta isto toliko nefatalnih.
|
