CURS 13CURS 13

RDAIATII LASER SI RADIATII XRDAIATII LASER SI RADIATII X

APA SI IMPORTANTA EI IN LUMEA VIEAPA SI IMPORTANTA EI IN LUMEA VIE

ELEMENTE DE FIZICA NUCLEARAELEMENTE DE FIZICA NUCLEARA

I.RadiatiileI.Radiatiile LASER LASER sisi radiatiileradiatiile XX

I.1 I.1 RadiatiileRadiatiile LASERLASEREfectulEfectul LASER LASER constaconsta in in amplificareaamplificarea radiatiilorradiatiilor electromagneticeelectromagnetice prinprin

fenomenulfenomenul de de emisieemisie stimulatastimulata..

DenumireaDenumirea de de LASERLASER reprezintareprezinta acronimulacronimul din din limbalimba englelzaenglelza pentrupentru ““Light Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationAmplification by Stimulated Emission of Radiation””. Initial . Initial aceastaaceasta denumiredenumire a a fostfost data data doardoar radiatiilorradiatiilor din din spectrulspectrul vizibilvizibil iariar pentrupentru celelaltecelelalte domeniidomenii spectral se spectral se abreviaabrevia MASERMASER (Microwave) (Microwave) sausau IRASERIRASER (Infrared).(Infrared).

EmisiaEmisia stimulatastimulataReprezintaReprezinta un un fenomenfenomen de de emisieemisie de de radiatiiradiatii electromagneticeelectromagnetice de de catrecatre un atom un atom

aflataflat intrintr--oo stare stare energeticaenergetica excitataexcitata, in , in prezentaprezenta unuiunui fotonfoton de de energieenergie egalaegala cu cu diferentadiferenta dintredintre energiileenergiile starilorstarilor excitataexcitata sisi respectivrespectiv de de energieenergie maimai mica (ex. mica (ex. fundamentalafundamentala).).

++

Fig. 1 Fig. 1 AmplificareaAmplificarea luminiiluminii prinprin emisieemisiestimulatastimulata

••FotonulFotonul stimuleazastimuleaza electronulelectronul sasa ““cadacada”” din din stareastarea excitataexcitata cu cu energieenergie maimai mare mare intrintr--oostare cu stare cu energiaenergia maimai mica mica sisi disponibiladisponibilapentrupentru electron.electron.

••In In urmaurma tranzitieitranzitiei electroniceelectronice se se vava emiteemite un un fotonfoton de de aceeasiaceeasi energieenergie cu a cu a fotonuluifotonuluiincident incident iariar din din punctpunct de de vederevedere ondulatoriuondulatoriuse se vava obtineobtine o o radiatieradiatie de de intensitateintensitate maimaimare. mare.

Fig. 2 Fig. 2 AmplificareaAmplificarea luminiiluminii prinprinemisieemisie stimulatastimulata ((diagramadiagrama

energeticaenergetica))

In In cazulcazul emisieiemisiei stimulate stimulate fotonulfotonul emisemis esteeste de de aceeasiaceeasi frecventafrecventa, , esteeste in in fazafaza cu cu fotonulfotonul incident => incident => raditatiaraditatia incidentaincidenta sisi radiatiaradiatia emisisaemisisa suntsunt coerentecoerente sisi are are aceeasiaceeasidirectiedirectie cu cu fotonulfotonul incident.incident.

In mod normal, un electron In mod normal, un electron aflataflat intrintr--oo stare stare excitataexcitata in atom in atom vava trecetrece in in stareastareafundamentalafundamentala (de (de energieenergie maimai mica) in mod mica) in mod spontanspontan, , printrprintr--un un procesproces de de emisieemisiespontanaspontana de de radiatiiradiatii electromagneticeelectromagnetice..

IntervalulIntervalul de de timptimp cat un atom cat un atom poatepoate ramaneramane intrintr--oo stare stare excitataexcitata esteeste de 10de 10--99 s.s.

O stare O stare excitataexcitata in care in care atomulatomul poatepoate ramaneramane un interval de un interval de timptimp maimai mare (ex. 10mare (ex. 10--88 s) s) se se numestenumeste stare stare metastabilametastabila..

IntrIntr--un un sistemsistem aflataflat in in echilibruechilibru termodinamictermodinamic la o la o anumitaanumita temperaturatemperatura T, un T, un numarnumardin din particuleleparticulele componentecomponente se se vorvor aflaafla in in staristari excitateexcitate datoritadatorita miscariimiscarii de de agitatieagitatietermicatermica..

NumarulNumarul de de particuleparticule aflateaflate in in staristari excitateexcitate esteeste descrisdescris de o de o functiefunctie de de distributiedistributie de de tip Boltzmann.tip Boltzmann.

ΔΔE=E=hhνν

hν

hν

hν

fotonfoton incidentincident

fotonfoton emisemis

EnergiaEnergiadistributiedistributie normalanormala de de populatiepopulatie ((echilibruechilibru termictermic)) inversieinversie de de populatiepopulatie

Fig. 3 Fig. 3 PopulatiaPopulatianormalanormala sisiinversiainversia de de populatiepopulatie

Ener

gia

Ener

gia

distributiedistributie normalanormala de de populatiepopulatie inversieinversie de de populatiepopulatie

TkEE

BeNN23

23

−−

⋅=

N3>N2

0ln

2

3

23 <

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

−−=

NNk

EET

B

TemperaturaTemperatura absolutaabsolutaa a sistemelorsistemelor cu cu

inversieinversie de de populatiepopulatieesteeste negativanegativa !!!!!!

ConcluziiConcluzii::

a)a) pentrupentru a a obtineobtine efectulefectul LASER LASER trebuietrebuie sasa avemavem un un sistemsistem cu cu inversieinversie de de populatiepopulatie intreintre douadoua nivelenivele date;date;

b)b) emisiaemisia stimulatastimulata intreintre acesteaceste douadoua nivelenivele..

ObtinereaObtinerea inversieiinversiei de de populatiepopulatie se face se face prinprin procesulprocesul de de ““pompajpompaj”” optic.optic.

PompajulPompajul optic optic esteeste posibilposibil doardoar in in sistemesisteme cu cu celcel putinputin douadoua nivelenivele excitateexcitate..

Exci

tare

Exci

tare

(( hhνν =

E=E33--

EE 11))

nivelnivel metastabilmetastabil

nivelnivel fundamentalfundamental

tranzitietranzitie spontanaspontana

tranzitietranzitie LASERLASER

Fig. 4 Fig. 4 DiagramaDiagrama nivelelornivelelorenergeticeenergetice in in emisiaemisia

LASERLASER

MediulMediul activactiv al al unuiunui sistemsistemLASER LASER poatepoate fifi::

a) solid a) solid –– ex. Rubin, ex. Rubin, Nd::YAGNd::YAG((ytriuytriu aluminiualuminiu granatgranat dopatdopatcu cu NdNd), ), GaAsGaAs(semiconductor);(semiconductor);

b) b) LichidLichid ((solutiisolutii lichidelichide cu cu anumitianumiti coloranticoloranti););

c) c) gazosgazos ––COCO22, He, Ne., He, Ne.

LASERLASER--ulul cu cu rubinrubinMediulMediul activactiv al al acestuiacestui laser laser esteeste un un monocristalmonocristal de de rubinrubin impurificatimpurificat cu cu ioniioni de de

Cr (CrCr (Cr++++++) in ) in proportieproportie de 0.05 %.de 0.05 %.

IoniiIonii de Cr de Cr suntsunt responsabiliresponsabili pentrupentru culoareaculoarea rosierosie a a cristaluluicristalului, , absorbindabsorbindradiatiileradiatiile versiversi sisi albastrealbastre sisi reflectandureflectandu--le le pepe celecele rosiirosii..

fotonifotoni

Tub de Tub de cuartcuart cu cu XeXe

fasciculfascicul laserlaser

oglindaoglinda partial partial argintataargintata

oglindaoglindaargintataargintata

tub de tub de racireracire

Fig. 5 LASERFig. 5 LASER--ulul cu cu rubinrubin

••TijaTija de de rubinrubin esteeste excitataexcitata prinprinpompajpompaj optic cu optic cu ajutorulajutorul tubuluitubului cu cu descarcaredescarcare in Xenon.in Xenon.

••CapeteleCapetele tijeitijei de de rubinrubin suntsunt slefuiteslefuitesisi argintateargintate, , servindservind ca ca oglinzioglinzipentrupentru radiatiaradiatia LASER.LASER.

••SistemulSistemul LASER cu LASER cu cristalcristal de de rubinrubinfunctioneazafunctioneaza ca un generator ca un generator cuanticcuantic de de radiatieradiatie, , esteeste iluminatiluminat cu cu radiatiiradiatii verdeverde--albastrualbastru sisi emiteemiteradiatiiradiatii rosiirosii. . StimulareaStimularea emisieiemisiei se se face in face in acestacest cazcaz de de primiiprimii fotonifotoniemisiemisi spontanspontan..

••SistemulSistemul poatepoate functionafunctiona sisi ca ca amplificatoramplificator de de radiatieradiatie dacadaca dupaduparealizarearealizarea inversieiinversiei de de populatiepopulatie se se transmitetransmite pepe cristalcristal o o radiatieradiatie rosierosiecare care vava stimulastimula emisiaemisia..

ProprietatileProprietatile radiatieiradiatiei LASERLASER1)1) IntensitateIntensitate foartefoarte mare.mare.

DatoritaDatorita dezexcitariidezexcitarii unuiunui numarnumar mare de mare de atomiatomi intrintr--un interval de un interval de timptimp scurtscurt, , intensitateaintensitatea fasciculelorfasciculelor LASER LASER esteeste multmult maimai mare mare decatdecat a a surselorsurselorconventionaleconventionale de de radiatiiradiatii..

2)2) RadiatiaRadiatia esteeste monocromaticamonocromatica datoritadatorita faptuluifaptului ca ca emisiaemisia esteeste stimulatastimulata intreintredouadoua nivelenivele energeticeenergetice ingusteinguste..

3)3) RadiatiaRadiatia emisaemisa esteeste coerentacoerenta, , fiindfiind in in fazafaza cu cu stimulatoarestimulatoare..4) 4) DirectionalitateaDirectionalitatea. .

Este o Este o consecintaconsecinta a a oglinziloroglinzilor de la de la capetelecapetele tijeitijei de de rubinrubin..

AplicatiiAplicatii medicalemedicale ale ale radiatiilorradiatiilor laserlaser•• In In chirurgiechirurgie pentrupentru imbunatatireaimbunatatirea precizieipreciziei..•• EliminareaEliminarea unorunor tesuturitesuturi in in chirurgiachirurgia ochiuluiochiului..•• In In dermatologiedermatologie. Ex. . Ex. PentruPentru eliminareaeliminarea punctelorpunctelor negrenegre, a , a cicatricelorcicatricelor, , tatuajelotatuajelo, ,

etc.etc.•• DispozitiveDispozitive de de acupuncturaacupunctura cu laser.cu laser.•• BiostimulareBiostimulare..•• TratamenteTratamente dentaredentare de de inalbireinalbire a a dintilordintilor..•• ProceduriProceduri cosmeticecosmetice ((epilareepilare, , tratamentultratamentul ridurilorridurilor).).

I.2 I.2 RadiatiileRadiatiile XXRadiatiileRadiatiile X X suntsunt radiatiiradiatii electromagneticeelectromagnetice similaresimilare celorcelor luminoaseluminoase dardar de de

frecventafrecventa multmult maimai mare.mare.

RdiatiileRdiatiile X au X au fostfost descoperitedescoperite de Wilhelm Conrad Roentgen (1845de Wilhelm Conrad Roentgen (1845--1923) in 1923) in anulanul18951895

DomeniulDomeniul de de lungimilungimi de de undaunda al al radiatiilorradiatiilor X X esteeste cuprincuprin intreintre 0.1 0.1 sisi 500 500 ǺǺ..

RadiatiileRadiatiile X X aparapar la la bombardareabombardarea uneiunei tintetinte cu cu electronielectroni rapizirapizi (de (de vitezaviteza foartefoartemare).mare).

C

Uc

catodcatod

anodanod

ecranecran protectorprotector

Fig. 6 Tub de raze XFig. 6 Tub de raze X

•• RadiatiaRadiatia X X emisaemisa de de anodanod((anticatodanticatod) ) esteeste rezultatulrezultatulinteractiuniiinteractiunii dintredintre electroniielectroniirapizirapizi sisi atomiiatomii substanteisubstanteiantcatoduluiantcatodului..

•• ExistaExista douadoua mecanismemecanisme de de interactiuneinteractiune care care ducduc la la aparitiaaparitia radiatiilorradiatiilor X de X de franarefranare sisi respectivrespectiv a a radiatiilorradiatiilor C C caracteristicecaracteristice..

RadiatiileRadiatiile X de X de franarefranareElectroniiElectronii cu cu vitezaviteza mare pot mare pot sasa tracatraca usorusor prinprin invelisulinvelisul electronic al electronic al atomuluiatomului sisi

interactioneazainteractioneaza cu cu nucleulnucleul atomic.atomic.

ElectroniiElectronii suntsunt franatifranati in in campulcampul electric al electric al nucleuluinucleului sisi vorvor emiteemite fotonifotoni ((executaexecutao o miscaremiscare accelerataaccelerata).).

RadiatiileRadiatiile emiseemise de de acestiacesti electronielectroni poartapoarta denumireadenumirea de de radiatiiradiatii dddd franarefranare..

SpectrulSpectrul radiatiilorradiatiilor de de franarefranare sesteseste un un spectruspectru continuucontinuu..

RadiatiaRadiatia X X caracteristicacaracteristica••ElectroniiElectronii cu cu energieenergie cineticacinetica mare mare pot pot ionizaioniza atomulatomul, , scotandscotand un un electron de electron de pepe paturilepaturile inferioareinferioare..••ElectroniiElectronii tindtind sasa se se rearanjezerearanjeze in in atom, atom, pentrupentru a a aduceaduce atomulatomul in in stareastareade de energieenergie minima.minima.••In In procesulprocesul de de rearanjarerearanjare al al electronilorelectronilor se emit se emit radiatiiradiatiielectromagneticeelectromagnetice cu cu lungimilungimi de de undaundabinebine definite, determinate de definite, determinate de caracteristicilecaracteristicile materialuluimaterialului din care din care esteeste confectionatconfectionat anticatodulanticatodul..

Fig. 7 Fig. 7 SpectrulSpectrul de de radiatiiradiatii X X pentrupentru molibdemmolibdem(Mo) in (Mo) in functiefunctie de de tensiuneatensiunea de de accelerareaccelerare

ProprietatileProprietatile radiatiilorradiatiilor XX••Au Au proprietatiproprietati comunecomune undelorundelor electromagneticeelectromagnetice cat cat sisi proprietatiproprietatispecificespecifice determinate de determinate de valoarevaloare frecventeifrecventei ((energieienergiei) ) acestoraacestora..

••In In spatiulspatiul liberliber se se propagapropaga in in linielinie dreaptadreapta..

••VitezaViteza de de propagarepropagare in in vidvid ((spatiuspatiu liberliber) ) esteeste de 3*10de 3*10--88 m/sm/s..

••SuntSunt invizibileinvizibile pentrupentru ochiochi..

••SuferaSufera fenomenefenomene specificespecifice undelorundelor electromagneticeelectromagnetice (ex. (ex. reflexiereflexie, , refractierefractie, , difractiedifractie, , interferentainterferenta sisi polarizarepolarizare).).

••Au Au energiienergii cuprinsecuprinse intreintre 1 1 keVkeV sisi 50 50 MeVMeV..

••ImpresioneazaImpresioneaza placaplaca fotograficafotografica..

••StimuleazaStimuleaza fluorescentafluorescenta sisi fosforescentafosforescenta unorunor materialemateriale..

••Pot Pot fifi difractatedifractate de de solidelesolidele cristalinecristaline, , structurastructura cristalinacristalina a a acestoraacestorajucandjucand in in cazulcazul radiatiilorradiatiilor X X rolulrolul de de retearetea de de difractiedifractie..

••Pot Pot penetrapenetra solidelesolidele, , lichidelelichidele sisi gazelegazele, , gradulgradul de de penetrarepenetrare depinzanddepinzandde de calitateacalitatea, , energiaenergia sisi lungimealungimea de de undaunda a a radiatiilorradiatiilor X.X.

••SuntSunt absorbiteabsorbite sausau imprastiateimprastiate in mod in mod diferitdiferit de de mediimedii fizicefizice diferitediferite..

••GradulGradul de de absortieabsortie al al radiatiilorradiatiilor X X depindedepinde de de caracteristicilecaracteristicile mediuluimediului in care in care acesteaacestea se se propagapropaga sisi de de lungimelungime de de undaunda..

••CoeficientulCoeficientul de de absortieabsortie depindedepinde de direct proportional de de direct proportional de densitateadensitatea mediuluimediului, de , de putereaputerea a 4a 4--a a a a numaruluinumarului atomic Z atomic Z sisi de de putereaputerea a 3a 3--a a a a lungimiilungimii de de undaunda ((legealegea luiluiBraggBragg--Pierce). Pierce).

••RadiatiileRadiatiile X pot X pot aveaavea ca ca efectefect sisi incalzireaincalzirea mediuluimediului iradiatiradiat..

••Pot produce Pot produce efecteefecte chimicechimice in in anumiteanumite solutiisolutii..

••Pot produce Pot produce modificarimodificari ale ale culoriiculorii unorunor substantesubstante sausau a a solutiilorsolutiilor acestoraacestora..

••Au Au capacitateacapacitatea de a de a ionizaioniza gazelegazele sisi de a de a modificamodifica proprietatileproprietatile electriceelectrice ale ale unorunorlichidelichide sisi solidesolide..

••Pot produce Pot produce ionizariionizari directedirecte ((efectefect fotoelectricfotoelectric) ) sausau indirecteindirecte ((efectefect Compton) in Compton) in solidesolide..

••Pot Pot distrugedistruge celulelecelulele vii vii sisi pot produce pot produce mutatiimutatii geneticegenetice..

•• Pot produce Pot produce dezorganizareadezorganizarea structuriistructurii molecularemoleculare..

••Pot Pot fifi utilizateutilizate in in tratamentultratamentul leziunilorleziunilor malignemaligne..

••Pot Pot aveaavea sisi efecteefecte somaticesomatice, , sprespre exempluexemplu, pot produce simple , pot produce simple arsuriarsuri sausaudermatitedermatite severe.severe.

•• RadiatiileRadiatiile X X suntsunt folositefolosite in in imageriaimageria radiologicaradiologica..

UtilizareaUtilizarea lorlor in in imageriaimageria radiologicaradiologica se se bazeazabazeaza pepe proprietateaproprietatearadiatiilorradiatiilor X de a X de a fifi absorbiteabsorbite de de organeorgane sisi tesuturitesuturi, de a produce , de a produce luminiscentaluminiscenta ecranuluiecranului fluorescent fluorescent sausau fosforescentfosforescent si/sausi/sau de a de a impreionaimpreiona filmulfilmul radiograficradiografic..

FormareaFormarea imaginiiimaginii se se bazeazabazeaza pepe absortiaabsortia diferitadiferita a a radiatiilorradiatiilor X de X de catrecatre organeorgane sisi tesuturitesuturi cu cu compozitiecompozitie chimicachimica, , densitatedensitate sisi grosimegrosimediferitadiferita..

In In cazulcazul ecranuluiecranului fluoroscopic fluoroscopic imagineaimaginea obtinutaobtinuta esteeste formataformata din din zone zone luminoaseluminoase sisi intunecateintunecate iariar pepe fimulfimul radiologic radiologic reprezentareareprezentareaesteeste inversatainversata..

II. II. Apa Apa şşi importani importanţţa ei a ei îîn lumea vien lumea vieII.1 II.1 StructuraStructura sisi proprietatileproprietatile fizicefizice ale ale

moleculeimoleculei de Hde H22OO

Fig. 8 Fig. 8 StructuraStructura

moleculeimoleculei de de apaapa

HH: : 1s1s11; ; OO: : 1s1s222s2s222p2p66

AtomiiAtomii de de hidrogenhidrogen formeazaformeaza legaturilegaturi covalentecovalente cu cu atomulatomul de de oxigenoxigen..

RepulsiaRepulsia electrostaticaelectrostatica dintredintre electroniielectronii 2p 2p aiai oxigenuluioxigenului care nu care nu participaparticipa la la legaturilelegaturile covalentecovalente cu cu atomiiatomii de de hidrogenhidrogen determinadetermina structurastructura spatialaspatiala a a moleculeimoleculei de de apaapa..

Fig. 9 Forma Fig. 9 Forma aproximativaaproximativa a a distributieidistributiei de de sarcinasarcina in in

moleculamolecula de de apaapa

•• MoleculaMolecula de de apaapa esteeste neutraneutra din din punctpunct de de vederevedere electric electric dardar prezintaprezinta o o polarizarepolarizare electricaelectrica datoritadatorita distributieidistributiei neuniformeneuniforme a a electronilorelectronilor..

II.2 II.2 ““AnomaliileAnomaliile”” apeiapei sisi influentainfluenta lorlor asupraasupraorganismelororganismelor viivii

ApaApa esteeste un un lichidlichid comuncomun dardar atipicatipic. .

ApaApa prezintaprezinta 41 41 anomaliianomalii ((cunoscutecunoscute) ) iariar viataviata pare pare sasa depindadepinda de de acesteaacestea..

1. 1. AnomaliaAnomalia dilatariidilatarii termicetermice a a apeiapei

Fig. 10 Fig. 10 DependentaDependentavolumuluivolumului specific al specific al apeiapei in in

functiefunctie de de temperaturatemperatura

ρ1

==mVVs

(1)(1)

••ApaApa esteeste printreprintre putineleputinele substantesubstante a a carorcaror densitatedensitate in stare in stare solidasolida esteeste maimai mica mica decatdecat in in stareastarea lichidalichida..

2. 2. TemperaturaTemperatura de de fierberefierbere a a apeiapei

Fig. 11 Fig. 11 TemperaturaTemperatura de de fierberefierbere pentrupentru diferitediferite

substantesubstante

•• In In absentaabsenta legaturilorlegaturilor de de hidrogenhidrogen, , temperaturatemperatura de de fierberefierbere a a apeiapei arar fifi de de --90 90 ooCC..

•• LegaturileLegaturile de de hidrogenhidrogen de de naturanatura electrostaticaelectrostatica suntsunt relativrelativ slabeslabe comparativcomparativ cu cu altealte tipuritipuri de de legaturilegaturi dardar suntsunt suficientsuficient de de puterniceputernice pentrupentru a a determinadetermina multemulteproprietatiproprietati ““uniceunice”” ((anomaleanomale) ale ) ale apeiapei..

3. 3. AlteAlte proprietatiproprietati ““neobisnuiteneobisnuite”” ale ale apeiapei

1.1. ApaApa are un are un punctpunct de de topiretopire neobisnuitneobisnuit de mare.de mare.

2.2. ApaApa are un are un punctpunct critic critic neobisnuitneobisnuit de mare.de mare.

3.3. In stare In stare solidasolida apaapa are un are un numarnumar neobisnuitneobisnuit de mare de de mare de structuristructuricristalinecristaline sisi amorfeamorfe..

4.4. ApaApa caldacalda ingheataingheata maimai repederepede decatdecat apaapa recerece ((efectefect MpembaMpemba).).

5.5. ApaApa caldacalda vibreazavibreaza maimai multmult decatdecat apaapa recerece..

6.6. CoeficientulCoeficientul de de tensiunetensiune superficialasuperficiala are o are o valoarevaloare ridicataridicata comparativcomparativcu al cu al altoraltor lichidelichide..

7.7. CapacitateaCapacitatea termicatermica a a apeiapei esteeste mare (ex. c=1 cal/g grad).mare (ex. c=1 cal/g grad).

8.8. Constanta Constanta dielectricadielectrica a a apeiapei esteeste mare mare sisi prezintaprezinta un maxim in un maxim in functiefunctiede de temperatratemperatra..

9.9. ApaApa are o are o calduracaldura latentalatenta de de vaporizarevaporizare mare.mare.

10.10. ApaApa are o are o calduracaldura latentalatenta de de sublimaresublimare mare.mare.

III. ELEMENTE DE FIZICA NUCLEARAIII. ELEMENTE DE FIZICA NUCLEARA

III.1 III.1 ConsideratiiConsideratii generalegenerale privindprivind structurastructura nucleuluinucleului atomicatomic•• UnitateaUnitatea de de bazabaza a a substanteisubstantei esteeste atomulatomul..

•• AtomulAtomul esteeste alcatuitalcatuit din din invelisiulinvelisiul electronic (electronic (electronielectroni) ) sisi nucleunucleu..

•• AtomulAtomul esteeste neutruneutru din din punctpunct de de vederevedere electric. electric. NeutralitateaNeutralitatea de de sarcinasarcina a a atomuluiatomului impuneimpune ca ca nucleulnucleul sasa fie fie incarcatincarcat cu cu sarcinasarcina electricaelectrica pozitivapozitiva..

•• ParticuleleParticulele nuclearenucleare incarcateincarcate cu cu sarcinasarcina pozitivapozitiva suntsunt protoniiprotonii..

•• NucleulNucleul continecontine pepe langalanga protoniprotoni sisi particuleparticule neutreneutre din din punctpunct de de vederevedere electric electric numitenumite neutronineutroni..

•• ExperienteleExperientele de de imprastiereimprastiere a a particulelorparticulelor αα pepe atomiatomi (Rutherford) au (Rutherford) au demonstratdemonstratca ca dimensiuniledimensiunile nucleuluinucleului atomic atomic suntsunt multmult maimai micimici comparativcomparativ cu cu razelerazele atomiceatomice(ratom(ratom~10~10--1010 m, rnucleu~10m, rnucleu~10--1414 m).m).

•• In In nucleulnucleul atomic atomic esteeste concentrataconcentrata aproapeaproape intreagaintreaga masamasa a a atomuluiatomului..

A=A=numarnumar de de masamasa (A=Z+N, N=(A=Z+N, N=numarulnumarul de de neutronineutroni))

Z=Z=numarnumar de de protoniprotoni ((egalegal cu cu numarulnumarul atomic). atomic).

III.2 III.2 DimensiunileDimensiunile nucleuluinucleului sisi densitateadensitatea nuclearanuclearaRazaRaza nucleuluinucleului atomic atomic depindedepinde de de numarulnumarul de de masamasa A (A (modelulmodelul Fermi):Fermi):

r=rr=r00AA1/31/3 (2)(2)

undeunde rr00=1.2*10=1.2*10--1515 m=1.2 fm (1f=10m=1.2 fm (1f=10--1515 ((femtofemto)).)).

NumeroaseNumeroase experimenteexperimente de de imprastiereimprastiere sugereazasugereaza ca ca nucleelenucleele atomiceatomicesuntsunt de forma de forma aproximativaproximativ sfericasferica sisi par par sasa aibaaiba in in esentaesenta aceeasiaceeasidensitatedensitate..

Faptul cFaptul caa densitatea nucleardensitatea nuclearaa pare să fie independentă de detalii pare să fie independentă de detaliile le legate de legate de numărul de neutroni sau protoni numărul de neutroni sau protoni sugereazasugereaza ccaa forforteletele de de interactiuneinteractiune dintredintre nucleoninucleoni ((fortelefortele nuclearenucleare) ) suntsunt aceleasiaceleasi (nu (nu depinddepind de de faptulfaptul ca ca protoniiprotonii ((neutroniineutronii) ) interactioneazainteractioneaza intreintre eiei sausau interactioneazainteractioneazacu cu neutroniineutronii ((protoniiprotonii)).)).

III.3 III.3 ParticuleParticule sisi unitatiunitati nuclearenucleareNucleulNucleul atomic atomic esteeste constituitconstituit din din protoniprotoni sisi neutronineutroni care care interactioneazainteractioneaza intreintre

eiei prinprin forte forte nuclearenucleare (forte (forte taritari).).

1.67 × 10-27 kg1.67 × 10-27 kg9.11 × 10-31 kgMasa

0+1 e-1 eSarcina electrica

NeutronProtonElectron

NucleeleNucleele cu cu acelasiacelasi numarnumar de de masamasasisi numerenumere atomiceatomice diferitediferite suntsunt numitenumiteizobariizobari..

NucleeleNucleele caracterizatecaracterizate prinprin acelasiacelasinumarnumar atomic Z atomic Z sisi numerenumere de de masamasadiferitediferite suntsunt numitenumite izotopiizotopi. .

UnitateaUnitatea standard in care standard in care maselemasele atomiceatomice sisi maselemasele nuclearenucleare suntsunt exprimateexprimateesteeste unitateaunitatea atomicaatomica de de masamasa ((uamuam).).

UnitateaUnitatea atomicaatomica de de masamasa esteeste definitadefinita ca ca fiindfiind a 1/12a 1/12--a parte din a parte din masamasa izotopuluiizotopuluide carbon de carbon 1212

66C. C.

kgm

uam C 2723

10*66.110*023.6

*1211

126 −== (3)

Fig. 12 Fig. 12 IzotopiiIzotopii hidrogenuluihidrogenului

III.4 III.4 EnergiaEnergia de de legaturalegatura a a nucleuluinucleului, , stabilitateastabilitatea nucleelornucleelor atomiceatomice

MasaMasa nucleelornucleelor atomiceatomice esteeste inferiarainferiara sumeisumei maselormaselor individualeindividuale a a nucleonilornucleonilor din care din care esteeste constituitconstituit. .

DiferentaDiferenta dintredintre masamasa nucleonilornucleonilor constituenticonstituenti sisi masamasa nucleuluinucleului se se numestenumeste defect de defect de masamasa ((ΔΔm=Z*m=Z*mmpp+(A+(A--Z)*Z)*mmnn --MMnucleunucleu).).

EnergiaEnergia de de legaturalegatura a a nucleuluinucleului se se poatepoate determinadetermina cu cu ajutorulajutorul relatieirelatiei luiluiEinstein(EEinstein(E = mc= mc22):):

EnergiaEnergia de de legaturalegatura a a nucleuluinucleului==WWlegaturalegatura==ΔΔmcmc22 (4)(4)

WWlegaturalegatura=Z*m=Z*mpp*c*c22+(A+(A--z)*mz)*mpp*c*c22--MMnucleunucleu*c*c22 (5)(5)ConditiaConditia de de stabilitatestabilitate a a nucleuluinucleului esteeste ca ca energiaenergia de de legaturalegatura sasa fie fie pozitivapozitiva ((WWlegaturalegatura>0).>0).

Ex.: Ex.: energiaenergia de de legaturalegatura a a deuteriuluideuteriului

Wlegatura(21H)=mp*c2+mn*c2-m(2

1H)*c2==2.23 MeV

1 1 eVeV=1.602=1.602××1010−−1919 JJ

• Energia de legatura per nucleon creste de la 1.11 MeV pentru deuteri la o valoare maxima de 8.75 MeV pentru 62Ni si apoi scade pana la 7.5 MeV pentru nucleele grele. •Nucleele cu valori mari ale energiei de legatura pe nucleon sunt mai stabile.•Nucleele cele mai stabile sunt nucleele cu numarul de masa cuprins intre 40 si 140.

Fig. 13 Fig. 13 EnergiaEnergiade de legaturalegatura per per

nucleonnucleon

numarul de masa A

ener

gia

de le

gatu

rape

r nuc

leon

(MeV

)

III.5 III.5 ModeleModele nuclearenucleare

ModelulModelul picaturapicatura de de lichidlichidForteleFortele nuclearenucleare au un au un caractercaracter de de saturatiesaturatie sisi volumulvolumul nucleuluinucleului crestecreste

cu cu aceeasiaceeasi cantitatecantitate candcand se se aduceaduce un nucleon un nucleon suplimentarsuplimentar..

VolumulVolumul nucleuluinucleului esteeste proportional cu proportional cu numarulnumarul de de nucleoninucleoni::

AkrV ⋅== 3

34π (6)(6)

3/10 Arr ==>=>

(7)(7)

ModelulModelul picaturapicatura de de lichidlichid esteeste confirmatconfirmat de de dateledatele experimentaleexperimentaleobtinuteobtinute in in urmaurma masuratorilormasuratorilor de de razaraza nuclearanucleara..

ModelulModelul picaturapicatura de de lichidlichid nu nu poatepoate explicaexplica stabilitateastabilitatea mare a mare a nucleelornucleelorformateformate din din dindin gruparigrupari de 2 de 2 protoniprotoni sisi 2 2 neutronineutroni..

ModelulModelul paturilorpaturilor nuclearenucleareModelulModelul paturilorpaturilor presupunepresupune ca ca nucleoniinucleonii nivelenivele energeticeenergetice pepe care nu pot care nu pot stasta

decatdecat celcel multmult doidoi nucleoninucleoni identiciidentici cu cu momentelemomentele de spin orientate de spin orientate antiparalelantiparalel ((pepeo o paturapatura nuclearanucleara se pot se pot gasigasi celcel multmult doidoi protoniprotoni sisi doidoi neutronineutroni).).

Fig. 14 Fig. 14 ModelulModelulpaturilorpaturilor nuclearenucleare

protoniprotoni protoniprotonineutronineutroni neutronineutroni

AducereAducere unuiunui nucleon nucleon intrintr--un un nucleunucleu cu cu paturipaturi complete complete vava reduce reduce energiaenergia de de legaturalegatura per nucleon.per nucleon.