Karlovačka gimnazija - Fizika 
I razred
II razred
Nuklearna fizika
Struktura atomskog jezgra
Gotovo sva masa atoma je skoncentrisana u jezgru atoma. Latinski izraz za jezgro je "nukleus" te se čestice koje čine jezgro atoma nazivaju jednim imenom nukleoni. Postoje dva tipa nukleona: protoni i neutroni. Protoni i neutroni nisu elementarne čestice, jer se sastoje od još manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Sagledavanje strukture protona i neutrona objašnjava njihovu veliku sličnost. Naime i proton i neutron se sastoje od po tri kvarka.
Proton sadrži dva "u" i jedan "d" kvark
Neutron sadrži jedan "u" i dva "d" kvarka
u - kvark (up) je čestica čije naelektrisanje iznosi +2/3 (e) dok je  d-kvark (down) čestica čije je naelektrisanje -1/3 (e).  Kako proton sadrži 2 "u" kvarka i jedan "d" kvark, njegovo naelektrisanje je 2/3+2/3-1/3 = 1e, dok je naelektrisanje neutrona posledica činjenice da se on sastoji od dva "d" kvarka i jednog "u" kvarka: 2/3-1/3-1/3 = 0, odnosno neutron je električki neutralna čestica.
Nukleone u jezgru drži zajedno jaka nuklearna sila, koja deluje privlačno između svih nukleona. Budući da je ova sila izuzetno snažna, ona uspeva da nadvlada odbojnu elektrostatičku silu između protona u jezgru. Jaka nuklearna sila je sila izuzetno kratkog dometa, te se njeno delovanje van jezgra ne oseća. Osim toga, kratak domet jake nuklearne sile rezultuje nestabilnošću teških i velikih jezgara.
U jezgru istovrmeno deluje elektrostatička odbojna sila, koja afektira samo protone, dok jaka nuklearna sila ima privlačni karakter i deluje na sve nukleone.
Broj protona u jezgru definiše hemijski element. Atom može izgubiti elektron, ali i nakon toga ostaje isti hemijski element. Ukoliko se promeni broj protona u jezgru, atom se pretvara u sasvim drugi hemijski element. Broj protona u jezgru se naziva "atomski broj" i piše se pored oznake hemijskog elementa. Broj neutrona u jezgru ne određuje hemijski element, već doprinosi atomskoj masi tog atoma. Da ne bi došlo do zabune koji broj, pored simbola hemijskog elementa, predstavlja broj protona a koji broj neutrona, pored oznake hemijskog elementa se piše ukupan broj nukleona u jezgru (protoni + neutroni) i naziva se "maseni broj". Atomi koji u jezgru imaju isti broj protona a različit broj neutrona, zauzimaju isto mesto u periodnom sistemu elemenata (izo = "isto", topos = "mesto") i nazivaju se izotopi.
Primeri hemijskih oznaka su:
$$C^{12}_{6}\quad,O^{16}_{8}\quad ,Fe^{56}_{26}$$
Primeri oznaka hemijskih izotopa su:
$$C^{12}_{6}\quad C^{14}_{6},\quad U^{234}_{92}\quad U^{235}_{92}\quad U^{238}_{92}$$
Defekt mase
Masa jezgra je manja od zbira masa nukleona koji ga tvore. U klasičnoj fizici ovakva tvrdnja bila bi u suprotnosti sa zakonom održanja mese, jer bi značila da je deo mase u procesu formiranja jezgra nestao. U kvantnoj fizici, koja se bavi fenomenima na nivou čestica, ova tvrdnja znači da se deo mase nukleona prilikom formiranja jezgra pretvorio u energiju. Ova transformacija mase u energiju se odvija u skladu sa Ajnštajnovom formulom:
$$E = mc^2 $$
Prilikom formiranja jezgra deo mase nukleona se trasformiše u energiju veze nukleona u jezgru. Energija veze je rad koji bi trebalo izvršiti da se čestice vezane u jezgro pretvore u slobodne čestice. U slučaju nukleona ovaj rad je izuzetno veliki, te promena mase nukleona postaje primetna.
Prirodna radioaktivnost
Porastom masenog broja rastu i dimenzije jezgra. S obzirom da su jake nuklearne sile izuzetno kratkog dometa, nukleoni na jednoj strani velikog jezgra ne mogu da "dobace" do nukleona na drugoj strani. Sa druge strane, odbojne Kulonove sile između protona, opadaju znatno sporije sa povećanjem udaljenosti, te se dva protona na suprotnim stranama velikog jezgra i dalje odbijaju. Otuda velika jezgra iskazuju tendenciju nestabilnosti. Ovu nestabilnost velika jezgra pokušavaju prevazići promenom unutrašnje strukture. O tim promenama možemo suditi samo na osnovu čestica koje pri tom napuštaju jezgro. Ovu pojavu nazivamo prirodna radioaktivnost, a sam događaj radioaktivni raspad.
Radioaktivni raspad je slučajan, stohastički događaj. Za jedno jezgro se ne može odrediti ni približan trenutak kada će se raspasti. To može bit naredne sekunde, a može se desiti i kroz milijardu godina. Pravi karakter radioaktivnog raspada može se utvrditi tek kada postoji ogroman broj nestabilnih jezgara istog elementa - statistički. U tom slučaju kod elemenata koji su skloniji radioaktivnom raspadu biće veći broj raspadnutih jezgara, nego kod elemenata kod kojih je ta sklonost manja, u istom vremenskom periodu. Takva jezgra se brže raspadaju. Vreme, koje je potrebno da se početni broj radioaktivnih jezgara prepolovi, nazivamo vreme poluraspada. Ako je vreme poluraspada nekog elementa 10 sati, početna količina radioaktivnih jezgara će se prepoloviti za 10 sati, pasti na četvrtinu za 20 sati ili na osminu za 30 sati itd. Aktivnost nekog radioaktivnog uzorka govori koliko se radioaktivnih jezgara raspadne svake sekunde. Aktivnost direktno govori o opasnosti ozračenja koja potiče od nekog radioaktivnog uzorka. Jedinica za aktivnost je Bq (Bekerel po naučniku Henri Becquerel) i iskazuje broj raspadnutih jezgara u jednoj sekundi.
Starost Zemlje
Starost Zemlje je bila nedokučiva tajna vekovima. Od biblijskih tvrdnji, preko procena Lorda Kelvina do radioaktivnog datiranja. Biblijske procene starosti zemlje su geneaološka kalkulacija od Adama do Abrahama i od Abrahama do danas, a nisu prelazile 6.000 godina. Krajem devetnaestog veka Lord Kelvin je pokušao da proceni starost Zemlje, istim principom kojim procenjujemo koliko je prošlo vremena od kada je kafa skuvana do trenutka kada je poslužena - ocenom koliko se ohladila. Kelvinove kalkulacije su dale procenu starosti zemlje u rasponu od 20 - 400 miliona godina. Radioaktivno datiranje je početkom 20. veka uveo Ernest Rutherford. Pošto su stene na Zemlji, tokom vremena od nastanka zemlje doživele bezbroj promena, topljenjem i ponovnim formiranjem, nije se mogla pouzdano utvrditi njihova starost. Tek analizom odnosa uranijuma i olova u meteoritima, koji potiču od asteroida formiranih u istom periodu kao i Zemlja, utvrđena je starost Zemlje. Danas važeću procenu starosti Zemlje, radioaktivnim datiranjem izveo je Clair Patterson 1956. godine. Princip je sledeći: Ako je poznato vreme poluraspada nekog elementa (uranijuma), utvrđivanjem količinskog odnosa tog elementa i njegovih potomaka (olova) u nekom mineralu, može se odrediti starost tog minerala. Iz prethodnog grafika se vidi da se preostala količina radioaktivnog elementa prepolovi nakon isteka perioda poluraspada. Na taj način je utvrđeno da je starost Zemlje 4,55 milijardi godina.
Alfa raspad
Nestabilno jezgro emituje α česticu i prelazi u stabilnije stanje. Tom prilikom se atomski broj smanjuje za 2 a maseni broj za 4. Otuda se hemijski element, koji je doživeo alfa raspad, pomera za dva mesta u levo, u periodnom sistemu elemenata. Alfa čestica, koja napušta jezgro je jezgro helijuma i postoji velika verovatnoća da će zahvatiti dva elektrona iz okoline, te postati atom helijuma. Nakon alfa raspada jezgro će potražiti stabilnije stanje emitovanjem viška energije u obliku gama zračenja (gama raspad).
Beta raspad 
Beta raspad je proces u kojem jezgro atoma napušta elektron, pri čemu se atomski broj jezgra poveća za 1 dok se maseni broj ne menja. Elektron ne može da opstane u jezgru, te znamo da je ovaj elektron upravo nastao u nekom procesu u jezgru. Da bismo takav elektron razlikovali od "redovnih" elektrona iz elektronskog omotača, nazivamo ga β- čestica. Proces koji prethodi emisiji β- čestice može se iskazati izrazom:
$$n\rightarrow p^{+} +\beta ^{-} +\widetilde{\nu } $$
Pri beta raspadu emituje se još jedna čestica: "antineutrino", koja veoma slabo ineraguje sa materijom.
Emisija pozitrona
Nestabilno jezgro može emitovati pozitron, odnosno β+ česticu, koja nastaje transformacijom protona u neutron, pri čemu se osim pozitrona kreira i neutrino. Maseni broj novonastalog elementa je isti kao i maseni broj "pretka" dok se atomski broj smanjuje za jedan. Hemijski element se pomera za jedno mesto u levo, u periodnom sistemu elemenata. Emisija pozitrona može se iskazati izrazom:
$$ p^{+} \rightarrow n +\beta ^{+} +\nu $$
Pozitron je antičestica elektrona. Sve osobine su im identične, osim naelektrisanja, koja su suprotna. Kada se spoje elektron i pozitron dolazi do njihovog poništavanja, odnosno anihilacije. Kao rezultat ove interakcije nastaju dva gama kvanta, koji se emituju pod uglom od 180 stepeni. Ovaj proces se koristi u savremenoj medicinskoj dijagnostici za otkrivanje fiziološke aktivnosti kancera. Skener koji obavlja proceduru se naziva PET skener (Positron Emission Tomography). Poznato je da se ćelije kancera ubrzano razmnožavaju, za šta im je potrebna enormna količina "hrane" odnosno glukoze. U molekul glukoze ubaci se radioaktivni izotop (F18) koji se uglavnom raspada emisijom pozitrona, a zatim se takva glukoza ubrizga u pacijenta. Ukoliko postoji kancer u organizmu, na tom mestu će se koncentrisati najveća količina glukoze. Prilikom raspada emitovani pozitron anihilira sa susednim elektronima i pri tom se emituju dva gama kvanta. PET skener beleži poziciju sa koje su incidentno emitovana dva gama kvanta pod uglom od 180 stepeni i na taj način identifikuje poziciju kancera u organizmu.
Gama raspad
Gama raspad je metod kojim se nestabilno jezgro oslobađa viška energije. Nukleoni u jezgru takođe imaju energetska stanja između kojih se vrše prelazi. Prelazeći u niže energetsko stanje (stabilnije) jezgro emituje kvant gama zračenja. Ovom prilikom se ne menjaju ni atomski ni maseni broj atoma. Gama raspad često prati alfa i beta raspade, jer se jezgra nakon ovih raspada energetski prilagođavaju novoj strukturi. Gama zračenje ima iste osobine kao i X zračenje, veliku energiju i prodornost. Jedina razlika je u mestu nastanka. Dok X zračenje nastaje u elektronskom omotaču, gama zračenje ima ishodište u jezgru atoma.
Karbonsko datiranje
Pod dejstvom kosmičkih zraka, azot N14 doživljava transformaciju putem zahvata neutrona i naknadne emisije protona. Na taj način nastaje radioaktivni ugljenik C14. Kako je uticaj kosmičkog zračenja neizmenjen milionima godina, ova transformacija se odvijala uvek na isti način i u istom obimu. Otuda je odnos stabilnog ugljenika C12 i nestabilnog ugljenika C14 uvek isti. U prirodi, na svakih hiljadu milijardi atoma ugljenika C12 dođe jedan atom ugljenika C14. Pošto se novonastali ugljenik C14 veoma brzo veže u CO2, nakon čega se integriše u živi svet, putem fotosinteze i lanaca ishrane, prisutan je u ustom odnosu u svim živim bićima, za njihova života. Kada organizam, nakon smrti, prestane da razmenjuje materiju sa okolinom, količina ugljenika C14 se postepeno smanjuje putem beta raspada, pri čemu se C14 vraća u N14
Znajući vreme poluraspada ugljenika C14 i utvrđivanjem odnosa C14 i C12 u fosilima, može se odrediti koliko dugo se raspadao ugljenik C14, da bi dostigao izmerenu vrednost, odnosno koliko je vremena prošlo od kako je fosil nastao. Pošto je vreme poluraspada ugljenika C14 5.568 godina, količina C14 posle 60.000 godina opadne na nemerljivu veličinu, te je je ovaj metod datiranja ograničen na artefakte stare do 60.000 godina.
Nuklearna fisija
Nuklearna fisija je cepanje teškog jezgra na dva manja, koja se nalaze u masenom odnosu 2:3. Malo je prirodnih izotopa koji su fisibilni, a najistaknutiji je uranijum U235. Zahvatom neutrona, U235 prolazi kroz transmutacionu promenu, cepajući se na dva manja jezgra kripton i barijum, koji se dalje raspadaju. Tom prilikom oslobađa se ogromna količina energije, emituje gama zračenja i neutroni. Ukoliko se u blizini jezgra, koje je upravo prošlo proces fisije, nalazi drugo fisibilno jezgro, može doći do nastavljanja i umnožavanja procesa fisije daljim zahvatanjem emitovanih neutrona. Ovakav mehanizam odvijanja nuklearne fisije nazivamo nuklearna lančana reakcija. Brzina umnožavanja nuklearne fisije opredeljuje proces da se kvalifikuje za atomsku bombu ili nuklearni reaktor. Nekontrolisana i brza fisija je osnov atomske bombe, dok je kontrolisana fisija izvor toplote u nuklearnoj elektrani. Fisijom se dobija milionima puta veća količina energije od one koja se dobija iz benzina. Kao produkt nuklearne fisije javlja se radioaktivni otpad, koji se raspada milionima godina i predstavlja  ogroman rizik po okolinu.
Tekst o oružju od osiromašenog uranijuma možete pročitati ovde.
Nuklearna fuzija
Nuklearna fuzija je proces formiranja novog jezgra od dva lakša jezgra. Kao primer može se posmatrati nukleosinteza jezgra helijuma od dva izotopa vodonika: deuterijuma i tricijuma. Da bi se jezgra deuterijuma i tricijuma dovela dovoljno blizu, kako bi se između njih mogla javiti jaka nuklearna sila, potrebno je savladati elektrostatičku odbojnu silu između protona oba jezgra. Da bi termičko kretanje atoma vodonika omogućilo dovoljnu energiju za otpočinjanje nuklearne fuzije, neophodno bi bilo obezbediti temperaturu od 14 miliona stepeni Kelvina. Ovo je temperatura koja postoji u jezgrima zvezda, te se u njima odvija spontani proces nuklearne fuzije. Pošto su nukleoni u helijumu znatno jače vezani nego u pojedinačnim izotopima vodonika, razlika energije se u procesu fuzije oslobađa, uglavnom u obliku radijacije. Sve dok je energija, koja je neophodna za otpočinjanje nuklearne fuzije manja od energije koju produkuje sama fuzija, proces je egzoterman i moguće je njegovo spontano odvijanje u jezgrima zvezda. Poslednji element koji se fuzioniše na ovaj način je gvožđe Fe56. Nukleosinteza težih elemenata odvija se uglavnom zahvatom neutrona, pri eksploziji "Super-Nova", nakon čega se putem beta raspada formiraju teži elementi. 
Nuklearna fuzija ne produkuje radioaktivnost niti nestabilna jezgra, te se može smatrati čistim izvorom energije. Poređenja radi, energija koja bi se dobila fuzionisanjem 1kg vodonika bila bi ravna energiji dobijenoj sagorevanjem 1000 tona benzina. Zalihe vodonika na zemlji (i u svemiru) su nepresušne, a krajnji produkt fuzije, helijum, je inertni netoksični gas. Stoga se nuklearna fuzija nameće kao idealni izvor energije za čovečanstvo.
Od 2006 godine, na jugu francuske se gradi fuzioni reaktor zajedničkim naporima više zemalja, čija cena već sada prevazilazi 10 milijardi dolara. Očekuje se da će prva fuziona reakcija biti pokrenuta 2027. godine. Plan Evropske Unije je da do 2050 godine potpuno eliminiše fosilna goriva kao izvor energije a nuklearna fuzija jeste kamen temeljac te ideje.
Detektori zračenja
Osnovni detektori zračenja su jonizaciona komora i Gajger-Milerov brojač. U elektronsku cev je smešten radni gas. Na obvojnici cevi se nalazi "prozor", načinjen od materijala koji lako propušta zračenje. Kada jonizujuće zračenje prodre u unutrašnjost cevi, u interakciji sa atomima gasa izaziva njihovu jonizaciju. Nastali slobodni elektroni i pozitivni joni kreću se ka elektrodama (elektroni ka anodi a pozitivni joni ka katodi). Broj nastalih slobodnih elektrona (i pozitivnih jona), prilikom jonizacije, proporcionalan je energiji upadnog zračenja.
Jednosmerni napon (DC) na jonizacionoj komori je mali, tako da elektroni i joni na putu do elektroda ne izazivaju dodatnu jonizaciju radne supstance. Otuda je električni impuls, izmeren u spoljašnjem delu kola, proporcionalan energiji upadnog zračenja. Jonizaciona komora meri energiju upadnog zračenja.
Jednosmerni napon (DC) na Gajger-Milerovom brojaču je veliki, tako da elektroni i joni na putu do elektroda izazivaju dodatnu jonizaciju radne supstance. Dolazi do lavinskog efekta, gde svaka detektovana čestica jonizujućeg zračenja proizvodi isti impuls u spoljašnjem delu kola. Stoga je izlaz Gajger-Milerovog brojača često spojen na zvučnik, gde se svaka detektovana čestica oglašava "klikom". Gajger-Milerov brojač ne meri energiju zračenja, već broji čestice. Koristi se za brzo i efikasno lociranje izvora zračenja.
Zaštita od zračenja
Jonizujuće zračenje
Jonizujuće zračenje je jedinstven naziv za svako zračenje koje je sposobno da uzrokuje jonizaciju medijuma kroz koji prolazi. Alfa, beta i gama zračenje (zajedno sa X zračenjem) imaju sposobnost da izazovu jonizaciju atoma, medijuma kroz koji prolaze. Jonizacija je proces u kojem atom u interakciji sa zračenjem gubi bar jedan elektron i na taj način postaje hemijski aktivan. Alfa i beta čestice su naelektrisane čestice i vrše direktnu jonizaciju medijuma, dok su X i gama zračenje nenaelektrisane čestice (fotoni), te vrše indirektnu jonizaciju medijuma. X i gama zračenje prvo interaguju sa elektronima putem fotoefekta ili rasejanja, pri čemu kreiraju slobodne brze elektrone koji vrše dalju jonizaciju medijuma (kao beta čestice). Zbog ove činjenice slobodni put fotona kroz medijum je znatno duži od puta koji pređu alfa ili beta čestica.
Dozimetrija
Apsorbovana doza je energija koju tkivo apsorbuje, pri ozračivanju, obračunata po jedinici mase.
$$D=\frac{E}{m} \quad \left[\frac{J}{kg} \right] =Gy $$
Ova veličina govori koliko je energije deponovano u organizmu, ali bez uvida u to koja čestica je deponovala energiju, kao i kolika je osetljivost pogođenog organa na zračenje. Jedinica apsorbovane doze je Grej (Gray) [Gy]. Teške čestice intenzivno jonizuju tkivo po ulasku u organizam, te svu svoju energiju deponuju u veoma maloj zapremini. Oštećenja, koja izazivaju ove čestice, su lokalizovana i mogu izazvati disfunkciju celog organa ili regije. X i gama zračenje jonizuju tkivo indirektno (prvo oslobađaju elektrone, koji potom vrše jonizaciju tkiva), te prodiru dublje u tkivo. Energija deponovana na ovaj način se raspoređuje u većoj zapremini te je manja verovatnoća nastanka nepopravljivih oštećenja. Kada se u obzir uzme koje čestice su deponovale energiju u tkivu dobija se ekvivalentna doza. Da bi se razlikovalo koja doza je u pitanju uvedena je nova jedinica za ekvivalentnu dozu - Sivert [Sv], koja takođe ima dimenziju J/kg, kao i Gy.
$$ H=D\cdot w\quad \left[\frac{J}{kg} \right] = Sv$$
w je bezdimenziona veličina, težinski faktor, koji biološki vrednuje vrstu zračenja. U sledećoj tabeli je prikaz težinskih faktora po česticama.
Ako se prilikom izračunavanja ekvivalentne doze povede računa i o tome koji je organ pogođen zračenjem, dobija se efektivna doza, za koju je takođe jedinica Sivert. Svakom organu je dodeljen procenat osetljivosti na zračenje, tako da je zbir procenata za celo telo 100%. Ako je celo telo primilo dozu od 10 mSv (jedan CT sken), tada je koštana srž efektivno dobila 1,2 mSv.
Statistički pokazatelji su ukazali da su koštanu srž, debelo crevo, pluća, želudac i grudi osetljiviji na zračenje nego što su bila teorijska predviđanja, te je mapa osetljivosti organa na zračenje shodno tome menjana.
Biološki efekti zračenja
Pri prolasku kroz tkivo, zračenje vrši jonizaciju atoma i molekula. Kako je voda najzastupljenije jedinjenje u telu, u interakciji sa zračenjem od vode nastaje H2O2, vodonik peroksid, poznatiji kao hidrogen. Hidrogen je najjači prirodni oksidant, sposoban da razara ćelijske membrane i nanosi veliku štetu organizmu. Ponekad, zračenje može izazvati degenerativnu promenu na hromozomu, koja se potom prenosi na potomke koji nastaju deobom te ćelije. Ovakvo delovanje zračenja je kancerogeno. Na jonizujuće zračenje su najosetljivije ćelije koje se ubrzano razmnožavaju, ćelije reproduktivnih organa*, dok su najmanje osetljive ćelije koje se sporo razmnožavaju (mozak). Organizam je sposoban da popravi najveći deo štete nastao ozračivanjem, pod uslovom da doza zračenja nije bila prevelika i da se organizmu ostavi dovoljno vremena da izvrši popravke. Pa ipak neke anomalije uzrokovane zračenjem ostaju trajne.
Akutne posledice izlaganja zračenju dešavaju se pri izlaganju većim dozama, u kraćem vremenskom periodu. Tada u organizmu nastaju promene koje su praćene simptomima mučnine, povraćanja, dijareje itd. Za doze koje su nešto veće od 1 Sv, postoji mogućnost oporavka uz adekvatnu medicinsku negu. Ukoliko je doza premašila 10 Sv ishod je fatalan, bez obzira na medicinsku pomoć. 
Stohastičke posledice se odnose na povećanje verovatnoće razvoja karcinoma usled izloženosti zračenju. Kako se karcinom koji nastaje prirodnim putem i onaj izazvan zračenjem, ne mogu razlikovati, do izloženosti manjoj od 100 mSv (odjednom) ne može se utvrditi porast verovatnoće razvoja karcinoma. Za dozu od 100 mSv je utvrđeno da doprinosi 5% povećanju verovatnoće od razvoja karcinoma. Za svaku veću dozu raste i procenat rizika. 

Izloženost zračenju
Izloženost zračenju je u velikoj meri van naše kontrole, jer postoji obilje prirodnih izvora zračenja koja ne možemo kontrolisati. Izloženost zračenju možemo smanjiti kontrolom medicinskog izlaganja zračenju, poseblo CT i PET-CT skeniranju.
Tipične doze zračenja