Jo van den Brand 6 december 2010

Kernenergie FEW cursus:Uitdagingen Jo van den Brand 6 december 2010

Inhoud • Jo van den Brand • jo@nikhef.nl • www.nikhef.nl/~jo • Boek • Giancoli – Physics for Scientists and Engineers • Week 1 Week 2 • Werkcollege • Vrijdag, Adrian de Nijs (1 set huiswerk: 24, 26, 80, 81) • Tentamen: 21 december 2010 (2 vragen van de 6) Jo van den Brand

Structuur en eigenschappen van kernen Kern: onderdeel van eenatoom. Kernenwordenooknucleidengenoemd Kern is eendichtquantumsysteem van nucleonen (verzamelnaamvoorprotonen en neutronen) Proton: kern van waterstofatoom (positiefgeladen, spin ½) Neutron: neutraaldeeltje (spin ½) (waaromgeengebondentoestand van p en e?) AtoomgetalZ is het aantalprotonen in de kern Z = Np NeutrongetalN is het aantalneutronen in de kern N = Nn (Atomair) massagetalA is het aantalnucleonen in de kern A = Z+ N Notatievooreennucleide (met Xalschemischsymbool) Zbepaaltaantalelektronen en dus het type element (isotopen) Natuurlijkeabondatie op Aarde is 98.9% natuurlijk en ongeveer 1.1% is Massawaarde die je in PeriodiekSysteemvindt, is het gemiddelde

Structuur en eigenschappen van kernen Veelisotopenkunnen in het laboratoriumgemaaktworden Elementenzwaarderdan Uranium (Z > 92) zijnkunstmatiggemaakt Op de VU: www.cyclotron.nl Nucleide chart: http://www.nndc.bnl.gov/chart/

Structuur en eigenschappen van kernen Ladingsverdeling van kernen is gemeten met elektronenverstrooiing Ruwebenadering 10-15 m = 1 femtometer = 1 fermi

Structuur en eigenschappen van kernen Massa’s van isotopenzijnbepaald met massaspectrometers Unified atomic mass unit [ u ]: massaatoom is 12.000000 u We vindendan Totaalimpulsmoment van kern met spin Iwordtgegeven door Magnetischemomenten van de kern wordengegeven in nuclear magneton Metingengeven Neutron lijktdusuitgeladendeeltjes (quarks) tebestaan Toepassingenals NMR en MRI zijnhieropgebaseerd

Bindingsenergie en kernkracht Massa kern is altijdkleinerdan de som van proton en neutron massa’s Ditmassa-defect is de bindingsenergie van het systeem (voor4He: 28.3 MeV) Dezeenergiekomtvrijbij de vorming van het systeem (daaromstraalt de zon) Dezeenergiemoet je erinstoppenals je het systeem wilt opbreken in delen Dit is eigenlijkaltijdzo: massa van waterstofatoom is 13.6 eVkleinerdan de som van proton en elektronrustenergie (effect is 1 op 108)

Bindingsenergie Bindingsenergie per nucleon. Voor4He is dat 28.3 MeV / 4 = 7.1 MeV Curve (versus A) heefteen plateau bij 8.7 MeV per nucleon DalingvoorA > 80 toontdatzwarekernenrelatief minder gebondenzijn Ditverband is de basis voorkernsplijting en kernfusie

Kernkracht Nucleonengebonden door sterkewisselwerking (kernkrachten) Dracht: enkelefemtometers Ingewikkeldekracht: functie van N – Z, spin, spin-baankoppeling, etc. GeenstabielekernenvoorZ > 82 vanwegeelektrostatischeafstoting Stabielekernenvervallenvanwege de zwakkewisselwerking Erbestaandusvierinteracties gravitatie elektromagnetisme sterkewisselwerking zwakkewisselwerking

Radioactiviteit Kernfysicabegon in 1896 met de ontdekking van fosforescentie (foutenaamoverigens) door Henri Becquerel: mineraal (dat uranium bevat) kaneenfotografischeplaatzwarten. Erkomtduseen of anderestralinguit: radioactiviteit (natuurlijkeemissie) Marie en Pierre Curie ontdekten radium (voorbeeld van radioisotoop of radionuclei) Eigenschapradioactiviteitnietmakkelijktebeinvloeden (door verhitten, magneetveld, etc.) Rontgen had in 1896 al X-stralingontdekt, maardatwek je kunstmatig op

Radioactiefverval Rutherford gafklassificatie van radioactiviteit in 1898 Type agaatzelfsniet door papier Type bgaat door 3 mm aluminium Type g gaat door eenaantal cm lood Elk type heeftbepaaldeeigenschappen: bijvoorbeeld lading Uiteindelijkbleek astralingzijnkernen van helium atomen bstralingzijelektronen g stralingzijnhoogenergetischefotonen

Alfa verval Na het verval is de originele kern 2 protonen en 2 neutronenkwijt Bijvoorbeeld De dochterkernverschilt van de parent (ditprocesheettransmutatie) Algemeen Alfa vervaltreedt op omdat de sterkewisselwerkingniet in staat is omeengrote kern bijelkaartehouden. De sterkewisselwerkingheeftkortedracht, terwijl de elektrostatischeafstoting over de hele kern werkt Q-waarde: totaleenergie die vrijkomt in het verval Als Q < 0 dan is het vervalverbodenvanwegeenergiebehoud We hebbentemaken met vervalnaar twee deeltjes Datgeefteendiscreetenergiespectrum

Alfa verval: tunneleffect AlsQ > 0, waaromzijn de parent kernendanniet al vervallen? Om dittebegrijpen, beschouwpotentieleenergie van alfadeeltje De Q-waarde is de energie van het alfadeeltje op groteafstand Tunneleffectbetekentsprong van punt A naar B Mogelijkvanwegeonzekerheidsrelatie Schending van energiebehoud is mogelijkvooreentijdDt die langgenoeg is om door de barriereheentetunnelen De Q-waarde, hoogte en breedte van de barrierebepaalt de levensduur van de isotoop (tot miljardenjaren) Waaromadeeltjes? Vanwege de grotebindingsenergie! Bijvoorbeeld de reactietreedtniet op, maarnaaradeeltjewel

Alfa verval: rookdetector Bevatkleinehoeveelheid (< mg) Americium in de vorm van oxide Ionisatiekamer: ioniseerluchttussen twee tegengesteldgeladen platen Hierdoorontstaatereenkleine continue stroomtussendezeelektroden Rookdeeltjesabsorberen de adeeltjes, waardoor de stroomafneemt Ditwordtgedetecteerd door eenelektronisch circuit Stralingsdosis is kleinerdan die van de natuurlijkeachtergrondstraling

Beta verval Transmutatie van elementen door beta verval Neutrino was oorspronkelijkeenhypothese Atoomgetalblijfthetzelfde, maarZ (en dusookN) verandert Het uitgezondenelektron is geenbaanelektron! Reactie in de kern Vervalnaardriedeeltjes: continue energiespectrum (daarom neutrino postulaat) Neutron is geengebondentoestand van proton en elektron! Neutrino ontdekt in 1956 (experiment Poltergeist) Neutrino’s (en antineutrino’s) hebbenmassa en spin ½ Correctenotatie Beta verval is voorbeeld van zwakkewisselwerking

Beta+ verval en electron capture Kernen met teveelneutronentonen beta verval (elektronwordtuitgezonden) Kernen met teweinigneutronentonen beta+ verval (positron wordtuitgezonden) Positron is het antideeltje van eenelektron Voorbeeld Merk op dater nu een neutrino uitkomt Ergeldtdus Er is nogeenderdemogelijkheid: electron capture Een kern absorbeerteenbaanelektron Voorbeeld Ergeldtdus Meestalwordt het elektronuit de binnensteK-schilgevangen. Andereelektronenspringen in dit gat en erwordtkarakteristiekeX-stralinguitgezonden

Gamma verval Hoogenergetischefotonenwordenuitgezonden door aangeslagenkerntoestanden (niveaushebbenMeVsenergieverschil) Kern komt in aangeslagentoestand door botsingen met anderedeeltjes radioactiefverval Ergeldt De asterik *duidteenaangeslagentoestandaan Nomenclatuur: X straling is van elektron-atoominteractie gamma straling is van eenkernreactie Kern in metastabieletoestand: isomeer Interne conversie: het fotonstooteenbaanelektronuit de kern

Behoudswetten Alleklassiekebehoudswettenzijn van toepassing wet van behoud van energie behoud van impuls behoud van impulsmoment behoud van lading We zienooknieuwebehoudswetten behoud van nucleongetal (baryongetal) behoud van leptongetal

Halfwaardetijd en vervalsnelheid Radioactiefverval is een random proces AantalvervallenkernenDNbinnenkortetijdDt Dusgeldt , met l de vervalconstante Radioactiefverval is een`one-shot’ proces We nemen de limiet en integreren Ditheet de radioactievevervalswet Het aantalvervallenkernen per secondenoemt men de activiteit Ergeldt Halfwaardetijd Levensduur

Vervalsreeksen Eenradioactieve parent kern kanvervallennaareendochter, die ookweervervalt, etc. Op dezewijzeontstaateen reeks van vervallen. De figuurtoont het verval van Het vervaleindigtbij de stabieleisotoop Bijvoorbeeld Het is gevormd in de supernova die de vorming van onszonnestelselheeftgetriggerd. Ongeveer 50% bestaatnog Origineel radium met halfwaardetijd van 1600 jaar is verdwenen. Al watvoorkomt is van het verval van uranium. Uit de abondantie (0,7%) en halfwaardetijd (700 miljoenjaar) van 235U kan men afleidendatdeze supernova meerdan 6 Gjgeleden is ontploft.

Radiometrischedatering Leeftijd van organischmateriaalwordtbepaald door Organischmateriaalzoalshoutabsorbeert CO2 en produceertmoleculen Meerderheidzijnatomen, maarkleinefractie is Verhouding / is constant en wordtbepaald door kosmischestraling De reactie is De halfwaardetijd van is 5730 jaar Eenorganismekangeenverschilmakentussen en Als het organismesterftwordtergeen CO2meeropgenomen De verhouding / neemtaf in de tijd Voorprecisiemetingenzijncorrecties van de verhoudingnodig (niet constant) Methodewerkt tot leeftijden van 60.000 jaar Datering op geologischetijdschaal Gebruikomleeftijd van stenentebepalen De oudste samples hebbeneenleeftijd van 4 miljardjaar

Detectie van straling Geigerteller: deeltjekomtbinnen via een window en ioniseertwatgasatomen. De vrijgekomenelektronengaannaar de draad en veroorzakeneenlawineaandeeltjes. Ditgeefteenpuls, die vertaaldwordtnaareenklik op eenluidspreker. Scintillator: deeltjekomtbinnen en maaktlichtvrij in het materiaal (NaI of plastics). Het fotonmaakteenelektronvrijuit de foto-kathode. Dynodes versterkenditsignaal. Eendergelijksysteemwordteenfoto-multiplier genoemd (PMT). De versterkingsfactor is typisch 1 miljoen. Erzijnveelverschillendesoortendetectoren: tracking en calorimeters. Tracking is vaakgebaseerd op dradenkamers of halfgeleiders. Calorimeters absorberen het deeltje en geveneenindicatie van de totaleenergie

Jo van den Brand 6 december 2010