Fizica nucleara - Radioactivitatea si reactiile nucleare

Pe scurt

Radioactivitatea reprezintă fenomenul de dezintegrare spontană a nucleelor instabile, care emit particule sau radiații pentru a atinge o stare mai stabilă. Legea dezintegrării radioactive descrie scăderea exponențială a numărului de nuclee radioactive în timp, iar energia eliberată în reacțiile nucleare se calculează cu relația E = Δm · c², unde Δm este defectul de masă.

Tipuri de radiații radioactive

Există trei tipuri principale de radiații radioactive

• Radiația α – particule alfa (nuclee de heliu-4), cu penetrare redusă dar ionizare puternică
• Radiația β – electroni sau pozitroni, cu penetrare mijlocie
• Radiația γ – radiații electromagnetice de înaltă frecvență, cu penetrare foarte mare

Legea dezintegrării radioactive

Legea dezintegrării radioactive afirmă că numărul de nuclee radioactive rămase, N(t), scade exponențial în timp:

• Formula: N(t) = N₀ · e^(-λt), unde λ este constanta de dezintegrare
• Timpul de înjumătățire: T₁/₂ = ln2 / λ
• Activitatea unei surse radioactive: A = λN, măsurată în becquereli (Bq, dezintegrări pe secundă)

Reacții nucleare

Reacțiile nucleare implică transformarea nucleelor prin bombardare cu particule sau prin fisiune/fuziune.

Fisiunea nucleară – fragmentarea unui nucleu greu (de exemplu U-235) în nuclee mai ușoare, cu eliberare de energie și neutroni

Fuziunea nucleară – unirea a două nuclee ușoare (de exemplu deuteriu și tritiu) pentru a forma un nucleu mai greu, cu eliberare de energie

Legi de conservare – legea conservării numărului de masă și a sarcinii electrice se aplică în toate reacțiile

Energia în reacțiile nucleare

În fizica nucleară, energia eliberată se calculează cu relația E = Δm · c², unde Δm este defectul de masă.

Interacțiunea radiațiilor cu materia și detectarea

Radiațiile nucleare interacționează cu materia prin ionizare și excitare. Detectarea lor se face cu:

• Contoare Geiger-Muller
• Camere de ionizare
• Scintilatori

Aplicații practice

• Medicina nucleară – terapie, imagistică
• Energetica – centrale nucleare cu fisiune, viitoare reactoare de fuziune
• Datarea radiometrică – carbon-14, uraniu-plumb
• Arheologie

Protecția împotriva radiațiilor

Protecția împotriva radiațiilor se bazează pe timp, distanță și ecranare.

Exemple

Exemplul 1: O sursă radioactivă conține inițial N₀ = 10⁶ nuclee de poloniu-210, cu timpul de înjumătățire T₁/₂ = 138 zile. Calculează numărul de nuclee rămase după 276 zile.

Rezolvare: t = 276 zile = 2 · T₁/₂. Folosim legea dezintegrării: N = N₀ · (1/2)^(t/T₁/₂). Deci N = 10⁶ · (1/2)^(276/138) = 10⁶ · (1/2)² = 10⁶ · 1/4 = 2,5 · 10⁵ nuclee. Alternativ, după un timp de înjumătățire rămâne jumătate, după două rămâne un sfert.

Exemplul 2: O reacție de fisiune: U-235 (nr. masă 235, nr. atomic 92) absoarbe un neutron și se fisionează în Ba-141 (număr atomic 56) și Kr-92 (număr atomic 36), eliberând 3 neutroni. Verifică conservarea numărului de masă și a sarcinii.

Rezolvare: Înainte: masa 235+1=236, sarcina 92+0=92. După: Ba-141 56, Kr-92 36, 3 neutroni 0. Masa totală: 141+92+3=236, sarcina totală: 56+36=92. Sunt conservate. Defectul de masă și energia eliberată se calculează separat.

Exemplul 3: Radiația β⁻ (electron) provine din dezintegrarea unui neutron în proton, electron și antineutrino. Scrie reacția: n → p + e⁻ + ν̅ₑ. În nucleu, un neutron se transformă în proton, numărul atomic crește cu 1, iar nucleul emite un electron.

Exemplu: Carbon-14 (6 protoni, 8 neutroni) se dezintegrează în Nitrogen-14 (7 protoni, 7 neutroni) emițând β⁻: C-14 → N-14 + e⁻ + ν̅ₑ. Timpul de înjumătățire al C-14 este de 5730 ani, folosit în datare.

Verifică-te!

1. Care sunt cele trei tipuri principale de radiații radioactive și cum se diferențiază prin puterea de penetrare?

1. Ce relație matematică descrie legea dezintegrării radioactive și cum se definește timpul de înjumătățire?

1. Care este diferența fundamentală dintre fisiunea nucleară și fuziunea nucleară?