31. Részecskefizika

1. Elemi részecskék

1. Hány dimenziós térben élünk?

Einstein szerint: a 4 dimenzió téridőt az anyag deformálja.
A húrelmélet szerint: 11 dimenzió létezik (feltekeredett állapotban).
Probléma az elmélettel: A 10^-35 méter átmérőjű húrokat jelenlegi technikánkkal képtelenek vagyunk megfigyelni.
A káoszelmélet szerint a világunk dimenziószáma nem egész szám, hanem tört. Az olyan alakzatokat amelyek törtdimenziósak fraktáloknak nevezzük. Ezek önhasonlóak, tehát bármelyik kis részlete ugyan olyan, mint az eredeti alakzat. (Pl. Mandelbrot halmaz)

2. Az elemi részecskék csoportosítása:

A. Spin szerint:
Feles spinű részecskék = fermionok
Pauli-féle kizárási-elv érvényes rájuk: azonos állapotban nem lehet két részecske
Az anyagi részecskék ők.
Egész spinű részecskék = bozonok
Nem érvényes rájuk a Pauli-elv: azonos állapotban lehet két részecske
Az anyagi részecskék közötti kölcsönhatások közvetítői.

Statisztikák:
    Boltzmann (részecskék):

• A részecskéket megkülönböztetjük.
• Egy térrészbe (cellába) csak egy részecske kerülhet.

    Bose-Einstein (bozonok):

• A részecskéket nem különböztetjük meg.
• Egy térrészbe (cellába) több részecske is kerülhet.

    Fermi-Dirac (fermionok):

• A részecskéket nem különböztetjük meg.
• Egy térrészbe (cellába) csak egy részecske kerülhet.

Ssz	Boltzmann			Bose-Einstein			Fermi-Dirac
1.	ab			**			*	*
2.		ab			**		*		*
3.			ab			**		*	*
4.	a	b		*	*
5.	b	a		*		*
6.	a		b		*	*
7.	b		a
8.		a	b
9.		b	a

B. A kölcsönhatás jellege szerint:

• Erős kölcsönhatás (hadron)
• Fermion (Barion): 3db kvarkból álló (p;n = nukleonok; hiperonok)
• Bozon: Mezon (kvark+antikvark); gluon (g)
• Egyéb kölcsönhatás:
• Fermion (Lepton): Neutrinó, e, műon, tau
• Bozon: Foton, W-, Z-részecske, Higgs-bozon
  

C. Töltés szerint:

• Anyagi részecskék
• Antianyag részecskék (ellentétes töltéssel)

Részecske-antirészecske párkeltés és annihiláció
Az annihiláció nagy energia felszabadulással jár:
                E=mc²

A vákuumban is állandóan virtuális részecske-antirészecske párok keletkeznek.

3. Kvarkok:

Gell Mann 1963-ban feltételezte, hogy a protonok, neutronok, hadronok, mezonok nem elemi részecskék.
Az elemi részecskék további összetevőkre bomlanak. Ők a kvarkok (törésből származó részecskék):

• u (up)
• d (down)
• c (charmed)
• s (strange)
• t (top)
• b (bottom)

A kvarkok színtöltéssel is rendelkeznek (piros, zöld, kék).

3 kvark alkotja az elemi részecskéket.
a kvarkok töltése törtérték.
a kvarkbezáródás miatt nem lehet őket szétszedni (gluonok tartják össze őket).

2. Kölcsönhatások

1. Milyen kölcsönhatásokat ismerünk?

Mechanikai kölcsönhatás:
  Egymásra erőhatást kifejtő testek között hat.

Gravitációs kölcsönhatás:
  Tömeggel rendelkező testek között hat.

Termikus kölcsönhatás:
  Különböző hőmérsékletű, érintkező testek között hat.

Elektromos kölcsönhatás:
  Töltéssel rendelkező testek között hat.

Mágneses kölcsönhatás:
  Mágneses tulajdonsággal rendelkező testek között hat.

  Az elektromágneses hullámok esetén az elektromos és a mágneses kölcsönhatás egyidejűleg hat.

Nukleáris kölcsönhatás (Erős kölcsönhatás):
  Nukleonok között hat.

Nukleáris gyenge kölcsönhatás:
    A radioaktív béta bomlást okozó, kis erősségű, rövid hatótávolságú kölcsönhatást
    gyenge kölcsönhatásnak nevezzük.
A gyenge kölcsönhatást neutrinónak nevezett részecske megjelenése kíséri.

Neutrínó detektorok:

2. Alapvető kölcsönhatások

Az anyag szerkezetet meghatározó kölcsönhatásokat alapvető kölcsönhatásoknak hívjuk. Ezek:

• Gravitációs kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Végtelen (gravitációs mező/erőtér).
• Erőssége: 1
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: graviton(?)
  
• Elektromágneses kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Végtelen (elektromos, illetve mágneses mező/erőtér).
• Erőssége: 1/137
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: foton
  
• Erős kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Szubatomi (10^-15m).
• Erőssége: 1/100 000
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: gluon
  
• Gyenge kölcsönhatás:
• Hatótávolsága: Szubatomi (10^-18m).
• Erőssége: 1/10³⁹
• Erőhatást közvetítő virtuális részecskék: W- és Z-bozonok.
  

 A valós részecskék működése:

A virtuális részecskék működése:

3. Részecskegyorsítók

1. Részecskegyorsítók:

A részecskegyorsítók töltött részecskéket gyorsítanak fel elektromos feszültséggel nagy energiára (pl. elektront több száz GeV-re).

Az elektronvolt (eV):
Az atomfizikában előszeretettel használt energiaegység.
Azonos az egy volt potenciálkülönbségen áthaladó elektron munkájával.
    1eV =1,6*10^-19J

A felgyorsított  részecskéket  ütköztetik.
Az ütközés során rövid ideig olyan részecskék is keletkeznek, melyek a közönséges anyagban nem léteznek.
Minél nagyobb az energia, annál több részecske keletkezik.
A rengetek szétsugárzó részecske azonosítása nem könnyű feladat.

2. Fejlődéstörténetük:

A. lineáris gyorsító:

B. van de Graaf generátor:

C. ciklotron:

elektromos mező = gyorsít
mágneses mező = térít

4. CERN

A CERN – Európa legnagyobb kutatóintézete

• 1954-ben alapították
• 20 tagországa van a CERN-nek
• 3000 főállású alkalmazott
• 6500 tudományos kutató végez kísérleteket, 80 országból
• Sok új részecskét fedeztek fel
• a web innen származik

 Négy hatalmas detektor:

• (ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B)
• (egyenként kb. 3000 tonna)
• 27 km kerület
• 100 m mélységben
• 10.000 A – áramerősség a mágnesekben
• 1,9 K – a rendszer hőmérséklete
• 10^-13 atm – a nyalábcsőben a nyomás
• 14 év alatt építették

Biztonsági kérdések:
  Az alapvető kérdés az, hogy a mesterségesen létrehozott új részecskéknek, illetve az anyag mesterségesen létrehozott új állapotának lesz-e bármilyen fenyegető hatása a környezetre.
Felmerült például fekete lyukak, mindent elnyelő vákuumbuborékok, az anyag lebomlását okozó mágneses monopólusok megjelenésének, sőt az időutazásnak a lehetősége is.

  A CERN kutatóin kívül amerikai és orosz szakemberek által is jegyzett új jelentés is megállapítja, hogy a kísérletek biztonságosak, aggodalomra nincs ok.
  Becslések szerint az Univerzumban minden egyes másodpercben tízmilliószor millió "LHC-kísérlet" következik be, láthatóan minden következmény nélkül. Az LHC abban fog különbözni ezektől, hogy irányított körülmények között, jól vizsgálhatóan hozza létre ezeket az állapotokat.

30. Sugárvédelem

1. A radioaktív sugárzás élettani hatásai

A radioaktív sugárzások biológiai hatása azon alapszik, hogy a sugárzás részecskéi (α-, β-részecskék és γ-fotonok) az élő anyag sejtjeiben

• ionokat,
• szabad gyököket hoznak létre,
• élettanilag fontos molekulák szerkezetét megváltoztatják.

A sugárzás élettani hatása függ:

• az egységnyi tömeg által elnyelt sugárzás energiájától
• a sugárzás fajtájától.

---

2. Sugárforrások fajtái:

Alfa-sugárzás:
  - igen erős ionizáló hatás (élő sejtek roncsolása), a kétszeres töltés miatt.
  - áthatolóképessége kicsi (test elnyeli)(levegőben néhány centiméter)

Béta-sugárzás:
  - erős ionizáló hatás (egyszeres töltés miatt)
  - áthatoló képessége közepes (egy vékony alumínium lemez is elnyeli)(levegőben néhány méter)
Gamma-sugárzás:
  - erős ionizáló hatás (nagy frekvencia miatt)
  - áthatoló képessége nagy (vastag ólomlemez nyeli csak el)(levegőben néhány száz méter)

---

3. Radioaktivitás észlelése (A detektorok fajtái)

1. Wilson-féle ködkamra:
A kamrában alkohol telített gőze van, a sugárforrásból kilépő részecskék ionokat hoznak létre, körülöttük a gőz lecsapódik.

2. Buborékkamra:
Túlhevített folyadékban az ionizáló radioaktív sugárzás gőzbuborékokat hoz létre, és így láthatóvá válik  a pályája.

3. Geiger-Müller számláló – GM-cső:
anód: W-szál
katód:Cu-henger
Anód-katód közötti feszültség:500-2000V
Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz
A belépő radioaktív részecskék ionokat hoznak létre a gázokban, ez áramlökést okoz.

4. DOZIMÉTER:
A doziméterek (dózismérők) arra szolgálnak, hogy a sugárzás teljes intenzitását hosszabb időtartamon át regisztrálják. A személyi sugár-védelemben és a technikai mérésekben alkalmazzák.   

---

4. Sugárzási jelzőszámok:

A sugárzás hatásának mennyiségi jellemzésére két mennyiséget használnak:
  1. Elnyelt dózis (De)
  2. Dózisegyenérték (H)

Elnyelt dózis:
Az élő szervezet által elnyelt sugárzási energiát osztjuk az anyag tömegével.
  D = E/m
ME: Gy(Gray) = J/kg

Dózisegyenérték:
A sugárzás biológiai hatása függ a sugárzás minőségétől.
Ezt úgy vesszük figyelembe, hogy az elnyelt dózist megszorozzuk a sugárzás minőségére jellemző Q minőségi tényezővel.
  H = Q*D
ME: Sv(Sievert)

Sugárterhelés hatásai: (/év)

D(mSv)	Hatások
200-250	Küszöbdózis: orvosilag kimutatható, tünetmentes
750-1000	Kritikus dózis: rosszullét
1000-2000	Vérképző szervek zavarai
4000	Félhalálos dózis: Az 50%-a orvosi kezelés hiányában meghal
6000	Halálos dózis

Feladatok

1. Mutassa be röviden a sugárbetegség tüneteit!
2. Milyen védelmi rendelkezéseket hoztak Csernobilban?
3. Milyen szerepe volt a robotoknak Fukushimában?
4. Mit tudunk a radioaktív háttérsugárzás magyarországi eloszlásáról?

Vidaóelemzés

Kérdések:
1. Mikor és melyik országban történt a csernobili atomkatasztrófa?
2. Hol laktak az atomerőmű dolgozói? Milyen körülmények között éltek?
3. Miért volt szükség az atomerőmű tesztelésére? Mit csináltak a teszt során?
4. Ki volt Gyatlov? Mi volt szerepe a balesetben?
5. Melyek a sugárferőzés főbb tünetei? Mekkora a túlélési arány?
6. Milyen társadalmi és politikai következményei voltak a balesetnek?



Kérdések:
Mit tudtunk meg a videó alapján:
1. a macskák életéről?
2. a farkasok életéről?
3. a medvék életéről?
4. a madarak életéről?
5. a rágcsálók életéről?




Kérdések:
1. Mikor történt a katasztrófa?
2. Hol történt a katasztrófa?
3. Miért történt a katasztrófa?
4. Hogyan viselkedtek a katasztrófa idején az emberek?
5. Előfordulhatnak hasonló katasztrófák máshol is? Ha igen, akkor hol?

29. Az atomerőművek felépítése és működése

1. Atomerőmű

Az atomerőmű az erőműveknek azon típusa, amelyek a maghasadás során keletkezett hőt használják áramtermelés céljára.

---

2. Alapanyaga

A természetes Uránérc jellemzően két izotóp keveréke:

U-238   T1/2 = 4,5*10⁹ év,
    jelenlegi gyakoriság: 99,29 %
U-235   T1/2 = 7,1*10⁸ év,
    jelenlegi gyakoriság: 0,71 %

A legnagyobb uránérc kitermelők:

1. Kazahsztán (a világtermelés 35,6%-ával)
2. Kanada (16,7%)
3. Ausztrália (11%)
4. Niger (8%)
5. Namíbia (6%)
6. Oroszország (5,5%)
7. Üzbegisztán (5,5%).

Konverzió (=gázzá alakítás), dúsítás:

kiindulási anyagok, sárga por:
 U₃O₈ = triurán-oktaoxid
 UO₂(NO₃)₂ = uranil-nitrát
 (NH₄)₂U₂O₇ = ammónium-diuranát
köztes anyagok, gáz:
 UF₄ = urán-tetrafluorid
 UF₆ = urán-hexafluorid
végtermék, szilárd fűtőanyag:
 UO₂ = urán-dioxid

Az ércdúsítás alapanyaga a „sárga por”, a yellow cake.

A konverzió során a sárga porból UF6-ot (gáz) állítanak elő.

A fluornak csak egyféle természetes izotópja van, így a molekulák tömegében az uránizotópok tömegének különbsége jelenik meg. Ezt lehet centrifugás, vagy gázdiffúziós módszerrel az U-235 arány növelésére (dúsítás) felhasználni.
A fegyvergyártáshoz 90 % fölötti dúsítás kell,
könnyűvizes atomerőművek friss üzemanyagában 3-4 % körüli a dúsítás.

Urán-dioxid pasztilla:

Urán rúd:

---

3. Az atomerőmű felépítése, működése:

Feladat:
Nevezd meg az atomerőmű részeit!

Alkotóelemek:
Reaktor: A szabályozott láncreakció helye
  Urán rudak: fűtőelemek
  Szabályzó rudak (Bórsav, kadmium): neutronelnyelők
  Moderátor anyag: neutronlassítók (víz)
 reflektor: az elszökött neutronok visszaterelésére szolgál.
Primer kör: nagy nyomású, magas hőmérsékletű, radioaktív víz
 hőelvezetésre szolgál
 a sugárárnyékolás célja a megszökött neutronok és gamma-sugarak elnyelése
Gőzfejlesztő: a turbinát hajtó gőz itt képződik
Szekunder kör: gőzképződés és lecsapódás
Turbina: hajtja a generátor forgó részét
Generátor: mechanikai energiát alakít át elektromos energiává

---

4. Az atomerőművek fajtái:

Tenyésztő reaktor (nincs moderátor)
Termikus reaktorok (van moderátor)
  Könnyűvizes (H₂O moderátor)(pl. Paks)
  Nehézvizes (D₂O moderátor)(Kanadai erőművek)
  Grafitos (Pl. Csernobil)

---

5. Történetük:

Az első atomerőművet Obnyinszkban (Oroszország) állították üzembe, 1954-ben.
Atomerőművek elterjedése:

---

6. Előnyeik, hátrányaik:

1. Előnyeik:

• Nem bocsátanak ki káros gázokat.
• Kis mennyiségű hulladék.
• Olcsóbbak a kiindulási anyagok.
• A hasadóanyagot a tüzelőanyagnál könnyebben lehet tárolni és szállítani (sokkal kevesebb kell belőle).
• Nagyobb hatásfok.

2. Hátrányaik:

• A radioaktív hulladék egy része több száz évig is veszélyes, kezelésük nem megoldott.
• Nagy egyszeri beruházásigény.
• Nincs összehasonlítás a fosszilis és az atomerőművek „természetterhelése” között (pl. hő szennyezés).
• Kisebb társadalmi elfogadottság.

Igaz-hamis állítások

NÉV: PONT:
Igaz-hamis állítások:

Ssz.	Állítás	Igaz	Hamis	?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

28. Maghasadás

1. Maghasadás:

A maghasadás kiindulási anyaga az urán.
Az uránnak a természetben két izotópja van: a 235-ös és a 238-as tömegszámú.
²³⁵U előfordulási aránya 0,7% (a nagyobb reakcióképessége miatt)
²³⁸U előfordulási aránya 99,3%.
Ha egy anyagban az U-235 arányát növeljük, akkor dúsításról beszélünk.

Az ²³⁸U-izotóp gyors neutron elnyelését követően két kisebb tömegszámú atomra (⁹⁰Kr, ¹⁴³Ba) esik szét, miközben gyors neutronok jönnek létre és energia szabadul fel.
A jelenséget 1938-ban Hahn,Strassmann, és Meitner fedezte fel.

---

2. A láncreakció:

a maghasadáskor keletkezett neutronokat újabb maghasadás kiváltására használjuk, így a számuk gyorsan megsokszorozódik.
A láncreakció ötlete Szilárd Leótól származik (1939).

---

3. A láncreakció feltételei:

Láncreakció akkor alakul ki, ha az n számú hasadásban megtermelt neutronok közül legalább n számú nyelődik el új hasadást okozva.
A tisztán U-238-ban láncreakció nem indul meg.
A 10cm-nél nagyobb átmérőjű tiszta U-235-ban önfenntartó láncreakció indul meg.
Az U-238+U-235 keverékben is előfordulhat láncreakció a dúsítástól és a mérettől függően.

---

4. Lehetséges esetek:

1. A gyors neutron:
  az U-235, U-238-cal, illetve moderátor anyaggal való ütközés során lelassul.
  a szabályozó anyaggal való ütközés révén befogódik.
  az U-235, U-238, Pu-239 anyagokban hasadást idéz elő.
2. A lassú neutron:
  az U-235-ben meghasadást idéz elő.
  az U-238-ban befogódik és így Pu-239 képződik.

A folyamatok részletesen:

1. Gyors hasítás:
 Ha ²³⁸U, vagy ²³⁵U izotópot (fűtőanyagot) gyors neutronokkal bombázunk, akkor az atommag elnyeli, majd befűződik és két részre bomlik (Kr, és Ba keletkezik).
 Keletkezik még néhány gyors neutron és sok energia.

2. Lassú hasítás:
 Ha ²³⁵U izotópot (fűtőanyagot) lassú neutronokkal bombázunk, akkor az atommag elnyeli, majd befűződik és két részre bomlik (Kr, és Ba keletkezik).
 Keletkezik még néhány gyors neutron és sok energia.

3. Gyors neutronok elnyelése:
 A szabályzóanyag a gyors neutronok elnyelésére képes.

4. Gyors neutronok lassítása:
 A moderátor anyag a gyors neutronokat lelassítja.

5. Lassú neutronok befogása :
 A ²³⁸U a lassú neutronok befogásával Pu-vá alakul.
 A plutónium a ²³⁵U-hoz hasonlóan viselkedik a hasítás során.

---

A maghasadás alkalmazása:

A. Háborús célra:
Atombomba:
1945. augusztus 6. Hiroshima
1945. augusztus 9. Nagaszaki

Hidrogénbomba:
Az atombomba továbbfejlesztett változata (Teller Ede közreműködésével készült)
1954. Bikini Atoll (kísérleti robbantás)

B. Békés célú felhasználás:
1942. Chicago (Fermi) első atomreaktor
1954. Obnyinszk (első atomerőmű)
Paks:
1982. 1. blokk
1984. 2. blokk
1986. 3. blokk
1987. 4. blokk

Atomerőművek száma kb 440. (USA, Franciaország, Japán)
Az össz energia 20%-át állítja elő.

Híresebb katasztrófák:
1986. április 26. Csernobil
2011. március 11. Fukushima

C. Egyéb alkalmazási területek:
jégtörő hajók
atomtengeralattjárók
(Kurszk tengeralattjáró katasztrófája)

Igaz-hamis állítások

NÉV: PONT:
Igaz-hamis állítások:

Ssz.	Állítás	Igaz	Hamis	?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.