Studiul structurii nucleului atomic, al radioactivității și al reacțiilor nucleare.
Nucleul atomic este format din nucleoni: protoni (sarcină pozitivă) și neutroni (neutri, cu masă aproape egală cu a protonului).
Notația standard este ^A_Z X, unde:
Izotopii sunt nuclee cu același Z, dar A diferit — adică același element, cu număr diferit de neutroni. Carbon-12 și carbon-14 sunt izotopi: identici chimic, foarte diferiți nuclear.
O întrebare firească: de ce nu explodează nucleul, dacă protonii se resping electric foarte puternic la distanțe atât de mici? Răspunsul sunt forțele nucleare tari, care acționează între toți nucleonii, sunt mult mai intense decât respingerea electrică, dar au rază de acțiune foarte scurtă (de ordinul dimensiunii nucleului). De aceea nucleele mari sunt mai instabile: respingerea electrică acționează la distanță între toți protonii, în timp ce forța nucleară leagă doar vecinii apropiați.
Defectul de masă este constatarea experimentală surprinzătoare că masa unui nucleu este mai mică decât suma maselor nucleonilor luați separat:
Δm = Z·m_p + N·m_n − m_nucleu
Masa lipsă nu a dispărut: ea s-a transformat în energia care ține nucleul legat, conform relației lui Einstein. Energia de legătură a nucleului este:
E_l = Δm·c²
Ea reprezintă energia care ar trebui cheltuită pentru a desface complet nucleul în nucleoni liberi.
Mult mai utilă pentru comparații este energia de legătură pe nucleon, E_l/A, care măsoară cât de strâns este legat fiecare nucleon. Graficul acestei mărimi în funcție de A are o formă esențială pentru tot capitolul: crește rapid pentru nucleele ușoare, atinge un maxim în jurul fierului (A ≈ 56, cu aproximativ 8,8 MeV pe nucleon) și scade lent pentru nucleele grele.
De aici, într-o singură frază, explicația energiei nucleare: orice proces care duce nucleele mai aproape de fier eliberează energie. Nucleele grele se apropie de fier rupându-se (fisiune), cele ușoare unindu-se (fuziune).
Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee instabile de a se transforma spontan în alte nuclee, emițând radiații. Procesul este spontan și aleatoriu: nu se poate prezice când se dezintegrează un anumit nucleu, ci doar ce fracțiune dintr-un număr mare se va dezintegra într-un interval dat. De asemenea, este imposibil de influențat prin mijloace chimice sau prin temperatură și presiune — o observație pe care se construiesc frecvent itemi de tip adevărat/fals.
Radiația alfa (α) - Este un nucleu de heliu, ^4_2He. - Legea deplasării: A scade cu 4, Z scade cu 2. - Este cea mai ionizantă, dar cea mai puțin penetrantă: o foaie de hârtie sau câțiva centimetri de aer o opresc. Periculoasă mai ales dacă sursa este inhalată sau ingerată.
Radiația beta (β⁻) - Este un flux de electroni proveniți din nucleu, prin transformarea unui neutron în proton. - Legea deplasării: A rămâne neschimbat, Z crește cu 1. - Penetrare medie: este oprită de câțiva milimetri de aluminiu. - De reținut: electronul beta nu provine de pe învelișul electronic, ci se formează în nucleu în momentul dezintegrării.
Radiația gama (γ) - Este o undă electromagnetică de energie foarte mare (fotoni), emisă de un nucleu excitat care revine la o stare de energie mai mică. - Nu modifică nici A, nici Z — deci nu schimbă natura elementului, doar starea lui energetică. Este cea mai frecvent greșită afirmație din capitol. - Este cea mai penetrantă (necesită plumb sau beton gros) și cea mai puțin ionizantă la trecerea prin materie.
În orice reacție nucleară se respectă legile de conservare, care rezolvă practic toate problemele de completare a ecuațiilor: se conservă numărul de masă A, sarcina electrică (Z), energia și impulsul. Suma indicilor superiori din stânga ecuației trebuie să fie egală cu suma din dreapta, la fel și pentru indicii inferiori.
Efectele biologice ale radiațiilor țin de ionizarea produsă în țesuturi: distrugerea moleculelor, mutații, arsuri. Doza absorbită se măsoară în gray (Gy), iar doza echivalentă în sievert (Sv). Protecția se face prin distanță, ecranare și limitarea timpului de expunere.
Nu putem ști când se dezintegrează un anumit nucleu, dar comportarea statistică a unui număr mare de nuclee este perfect previzibilă.
Legea dezintegrării radioactive:
N = N₀ · e^(−λ·t), echivalent N = N₀ · 2^(−t/T)
unde N₀ este numărul inițial de nuclee, N numărul de nuclee rămase nedezintegrate după timpul t, λ constanta de dezintegrare, iar T timpul de înjumătățire.
Timpul (perioada) de înjumătățire T este intervalul după care jumătate din nucleele existente s-au dezintegrat. Legătura dintre cele două constante este T = ln2/λ ≈ 0,693/λ.
Pentru probleme, cel mai comod este raționamentul pe puteri ale lui 2:
Două capcane frecvente merită numite explicit.
Prima: după două perioade de înjumătățire nu se dezintegrează toată substanța. Fiecare perioadă înjumătățește ce a mai rămas, nu ce a fost la început; procesul se apropie de zero, dar nu îl atinge niciodată exact.
A doua: enunțurile alternează între nuclee rămase și nuclee dezintegrate. Dacă după 3T au rămas 1/8, înseamnă că s-au dezintegrat 7/8, adică 87,5 %. Citirea neatentă a cerinței este cea mai des întâlnită pierdere de punctaj la acest subcapitol.
Activitatea unei surse radioactive este numărul de dezintegrări pe secundă, Λ = λ·N, măsurată în becquerel (Bq); 1 Bq = o dezintegrare pe secundă. Activitatea scade în timp după aceeași lege exponențială ca numărul de nuclee.
Timpii de înjumătățire variază enorm: fracțiuni de secundă pentru unii izotopi artificiali, 5730 de ani pentru carbon-14, miliarde de ani pentru uraniu-238. Pe această diversitate se bazează datarea cu radiocarbon a resturilor organice și datarea cu uraniu-plumb a rocilor, prin care se estimează vârsta Pământului.
Reacțiile nucleare sunt transformări ale nucleelor provocate din exterior, prin bombardament cu particule, spre deosebire de dezintegrarea radioactivă, care este spontană.
Fisiunea nucleară este ruperea unui nucleu greu (uraniu-235, plutoniu-239) în două fragmente de mărime comparabilă, însoțită de eliberarea a 2-3 neutroni și a unei cantități mari de energie (circa 200 MeV pe nucleu fisionat). Este declanșată de captura unui neutron lent.
Neutronii eliberați pot provoca noi fisiuni, dând o reacție în lanț. Dacă în medie exact un neutron din fiecare fisiune produce o nouă fisiune, reacția este controlată și stabilă — principiul reactorului nuclear. Dacă numărul crește necontrolat, reacția devine explozivă. Reacția în lanț se autoîntreține doar peste o anumită cantitate de combustibil, numită masă critică.
În reactorul nuclear se regăsesc, cu roluri distincte:
Atenție la o confuzie clasică: moderatorul încetinește neutronii ca să întrețină reacția, în timp ce barele de control îi absorb ca să o frâneze. Rolurile sunt opuse, deși ambele acționează asupra neutronilor.
Fuziunea nucleară este unirea a două nuclee ușoare (izotopi ai hidrogenului — deuteriu și tritiu) într-unul mai greu, cu eliberare de energie. Ea alimentează Soarele și celelalte stele.
Avantajele fuziunii față de fisiune sunt considerabile: eliberează mai multă energie pe nucleon, combustibilul (hidrogenul din apă) este practic inepuizabil, iar deșeurile radioactive sunt mult mai puține și cu viață scurtă. Dificultatea este că nucleele, fiind ambele pozitive, se resping puternic; pentru a le apropia suficient sunt necesare temperaturi de milioane de grade și presiuni uriașe, condiții greu de menținut controlat pe Pământ — motiv pentru care reactoarele de fuziune sunt încă în stadiu experimental.
Alte aplicații ale fizicii nucleare: radioterapia oncologică, trasorii radioactivi în diagnostic medical, sterilizarea instrumentarului, conservarea alimentelor și controlul nedistructiv al sudurilor în industrie.