Elemente de fizică modernă și atomică

Introducere în structura atomului, radioactivitate și aplicații ale fizicii nucleare.

Structura atomului. Modelul lui Bohr

Atomul are două părți: un nucleu central, foarte mic și foarte dens, și un înveliș electronic care îl înconjoară.

În nucleu se află nucleonii:

• protonii, cu sarcină electrică pozitivă;
• neutronii, fără sarcină electrică.

În jurul nucleului se mișcă electronii, cu sarcină negativă și masă de aproximativ 1836 de ori mai mică decât a protonului. Într-un atom neutru, numărul de electroni este egal cu numărul de protoni, astfel încât sarcinile se compensează.

Două numere descriu orice nucleu:

• numărul atomic Z = numărul de protoni; el stabilește specia chimică a atomului;
• numărul de masă A = numărul total de nucleoni, deci A = Z + N, unde N este numărul de neutroni.

Izotopii sunt atomi ai aceluiași element, deci cu același Z, dar cu A diferit, adică având număr diferit de neutroni. Carbonul-12 și carbonul-14 sunt izotopi: ambii au 6 protoni, dar 6, respectiv 8 neutroni.

Modelul lui Bohr aduce ideea centrală a fizicii moderne: electronii se pot afla doar pe anumite orbite permise, fiecare cu o energie bine determinată. Electronul nu radiază energie cât timp rămâne pe o orbită. La trecerea de pe o orbită mai depărtată pe una mai apropiată, atomul emite un foton; la absorbția unui foton potrivit, electronul urcă pe o orbită superioară.

O reprezentare corectă a scării: dacă nucleul ar avea mărimea unei bile de un centimetru, primii electroni s-ar roti la sute de metri distanță. Atomul este, practic, gol.

Radioactivitatea naturală. Tipuri de radiații

Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee de a se dezintegra spontan, transformându-se în alte nuclee și emițând radiații. Fenomenul a fost descoperit de Henri Becquerel și studiat de Marie și Pierre Curie.

Cele trei tipuri de radiații se cer comparate exact:

• Radiația alfa (α) – nuclee de heliu (2 protoni și 2 neutroni), sarcină pozitivă. Are masă mare și viteză mică, deci putere de pătrundere foarte mică: e oprită de o foaie de hârtie sau de stratul superficial al pielii. În schimb, are putere de ionizare foarte mare, motiv pentru care devine periculoasă dacă sursa ajunge în interiorul organismului.
• Radiația beta (β) – electroni de mare viteză, sarcină negativă. Pătrundere medie: e oprită de câțiva milimetri de aluminiu.
• Radiația gama (γ) – unde electromagnetice de energie foarte mare, fără sarcină electrică și fără masă de repaus. Are putere de pătrundere foarte mare: pentru atenuare sunt necesare straturi groase de plumb sau beton.

Regula de reținut: puterea de pătrundere și puterea de ionizare sunt invers proporționale. Alfa ionizează cel mai puternic și pătrunde cel mai puțin; gama pătrunde cel mai mult și ionizează cel mai slab.

Un test simplu de identificare: într-un câmp electric sau magnetic, radiațiile alfa și beta se deviază în sensuri opuse, fiindcă au sarcini contrare, iar gama nu se deviază deloc, fiind neutră electric.

Legea dezintegrării radioactive. Timpul de înjumătățire

Dezintegrarea unui nucleu individual este un fenomen întâmplător: nu se poate prezice când anume se va dezintegra un anumit nucleu. Pentru un număr mare de nuclee, însă, comportamentul statistic este perfect regulat.

Timpul de înjumătățire (T) este intervalul de timp după care jumătate dintre nucleele radioactive dintr-o probă s-au dezintegrat.

Legea dezintegrării, în forma potrivită gimnaziului:

N = N0 / 2ⁿ, unde n = t/T este numărul de perioade de înjumătățire scurse

Astfel, după o perioadă rămâne 1/2 din substanța inițială, după două perioade 1/4, după trei perioade 1/8, după patru perioade 1/16.

De aici vin cele două confuzii cele mai frecvente:

1. „După două perioade de înjumătățire substanța dispare complet.” Fals — rămâne un sfert. Fiecare înjumătățire se aplică asupra cantității rămase, nu asupra celei inițiale. 2. „Timpul de înjumătățire poate fi modificat prin încălzire, răcire sau presiune.” Fals — T este o constantă a izotopului, independentă de condițiile fizice și chimice exterioare. Uraniul-238 are T de aproximativ 4,5 miliarde de ani, iar unii izotopi folosiți în medicină au T de câteva ore.

Tocmai constanța acestui timp face posibilă datarea radioactivă: raportul dintre carbon-14 și carbon-12 dintr-un fragment de os sau lemn permite estimarea vârstei lui, iar izotopii cu perioade foarte lungi permit datarea rocilor și estimarea vârstei Pământului.

Reacții nucleare: fisiunea și fuziunea

Reacțiile nucleare modifică însuși nucleul atomului, spre deosebire de reacțiile chimice, care afectează doar învelișul electronic. De aceea energiile puse în joc sunt de milioane de ori mai mari.

La baza tuturor stă relația lui Einstein, E = m·c²: o mică pierdere de masă, numită defect de masă, se transformă într-o cantitate uriașă de energie, pentru că viteza luminii, ridicată la pătrat, este un număr enorm.

Fisiunea nucleară este spargerea unui nucleu greu, de obicei uraniu-235, în două nuclee mai ușoare, sub acțiunea unui neutron. Se eliberează energie și 2-3 neutroni noi, care pot sparge alte nuclee, declanșând o reacție în lanț. În reactorul nuclear, reacția este ținută sub control prin bare de control din bor sau cadmiu, care absorb neutronii în exces, și prin moderator (apă, grafit), care încetinește neutronii. În bomba atomică, aceeași reacție este lăsată necontrolată.

Fuziunea nucleară este unirea a două nuclee ușoare, de obicei izotopi ai hidrogenului, într-un nucleu mai greu. Este sursa de energie a Soarelui și a stelelor. Fuziunea eliberează, la aceeași masă, mai multă energie decât fisiunea și nu produce deșeuri radioactive de lungă durată, dar necesită temperaturi de milioane de grade, motiv pentru care nu a putut fi încă folosită practic în centrale.

Confuzia clasică: fisiune și fuziune sună aproape la fel. Leagă-le de sensul cuvintelor — fisiune vine de la fisură, deci rupere; fuziune înseamnă contopire.

Efecte biologice și aplicații ale radioactivității

Radiațiile nucleare sunt ionizante: ele smulg electroni din atomii materiei prin care trec. În organism, această ionizare poate distruge molecule esențiale și poate deteriora ADN-ul din celule, provocând arsuri, boală de iradiere, mutații sau cancer. Gravitatea efectului depinde de doza primită, de tipul radiației și de durata expunerii.

Protecția se realizează prin trei mijloace, care se cer enumerate:

• ecranare – plumb, beton, apă, cu atât mai groase cu cât radiația este mai penetrantă;
• distanță – intensitatea scade rapid cu depărtarea de sursă;
• timp – reducerea la minimum a duratei de expunere.

Trebuie știut că există și o radioactivitate naturală de fond, la care suntem expuși permanent: radonul din sol, radiația cosmică, izotopii naturali din alimente. Ea este, în mod normal, inofensivă.

Aplicațiile utile sunt numeroase:

• medicină – radioterapia distruge selectiv tumorile; trasorii radioactivi urmăresc funcționarea unor organe; radiografia și tomografia folosesc razele X; sterilizarea instrumentarului;
• industrie – controlul nedistructiv al sudurilor, măsurarea grosimii foliilor, sterilizarea alimentelor;
• arheologie și geologie – datarea cu carbon-14 și cu izotopi de uraniu;
• energetică – centralele nucleare produc energie electrică fără emisii de dioxid de carbon, dar ridică problema deșeurilor radioactive și a siguranței, ilustrată de accidentele de la Cernobîl și Fukushima.

Concluzia corectă nu este că radioactivitatea e „bună” sau „rea”, ci că este un instrument puternic, a cărui utilizare cere control strict și responsabilitate.

Test — 6 întrebări ca la examen