Temat

Podsumowanie wiadomości z fizyki jądrowej

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

1) posługuje się pojęciami pierwiastek, jądro atomowe, izotop, proton, neutron, elektron do opisu składu materii; opisuje skład jądra atomowego na podstawie liczb masowej i atomowej;

2) zapisuje reakcje jądrowe stosując zasadę zachowania liczby nukleonów i zasadę zachowania ładunku;

3) wymienia właściwości promieniowania jądrowego; opisuje rozpady alfa, beta;

4) posługuje się pojęciem jądra stabilnego i niestabilnego; opisuje powstawanie promieniowania gamma;

5) opisuje rozpad izotopu promieniotwórczego; posługuje się pojęciem czasu połowicznego rozpadu;

6) stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych; posługuje się pojęciami energii wiązania i deficytu masy; oblicza te wielkości dla dowolnego izotopu;

7) wskazuje wpływ promieniowania jonizującego na materię oraz na organizmy żywe;

8) wymienia przykłady zastosowania zjawiska promieniotwórczości w technice i medycynie;

9) opisuje reakcję rozszczepienia jądra uranu Indeks górny 235²³⁵U zachodzącą w wyniku pochłonięcia neutronu; podaje warunki zajścia reakcji łańcuchowej;

10) opisuje zasadę działania elektrowni jądrowej oraz wymienia korzyści i niebezpieczeństwa płynące z energetyki jądrowej;

11) opisuje reakcję termojądrową przemiany wodoru w hel zachodzącą w gwiazdach;

12) opisuje elementy ewolucji gwiazd; omawia supernowe i czarne dziury.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Utrwala wiadomości dotyczące fizyki jądrowej.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Opisuje budowę jądra atomowego.

2. Opisuje mechanizm i typy reakcji jądrowych.

3. Opisuje zastosowanie zjawisk jądrowych w nauce i technice.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia budowę jądra atomowego,

- wymienia typy reakcji jądrowych i ich znaczenie.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Przygotuj krótkie wypowiedzi wyjaśniające poniższe pojęcia:

1. Jądro atomu.
2. Izotopy.
3. Defekt masy.
4. Energia wiązania.
5. Promieniowanie jądrowe.
6. Dawka promieniowania.
7. Okres połowicznego rozpadu.
8. Prawo rozpadu promieniotwórczego.
9. Przemiany jądrowe.
10. Reakcje jądrowe.
11. Rozszczepienie jądra atomowego.
12. Reakcja łańcuchowa.
13. Elektrownia jądrowa.
14. Synteza termojądrowa.
15. Detekcja promieniowania.
16. Promieniotwórczość w technice i medycynie.

Realizacja lekcji

Fizyka jądrowa zajmuje się strukturą jądra atomowego, bada zachodzące w nim procesy oraz procesy z udziałem jąder atomowych. Niemniej ważne są zastosowania reakcji jądrowych w nauce i technice.

1. Jądro atomu

Jądrem atomowym nazywamy obszar o dużej gęstości znajdujący się w centrum atomu. Jądro atomowe jest o kilka rzędów wielkości mniejsze od rozmiaru samego atomu. Jest ono obdarzone ładunkiem dodatnim.

Jądro atomowe zbudowane jest z protonów i neutronów zwanych razem nukleonami. Protony mają ładunek dodatni, neutrony są elektrycznie obojętne. Obie cząstki mają zbliżone masy.

Skład jądra atomowego symbolicznie oznaczamy jako:

gdzie:

X - symbol chemiczny pierwiastka,
Z - liczba atomowa informująca o liczbie protonów w jądrze,
A - liczba masowa równa liczbie nukleonów (sumie protonów i neutronów) w jądrze.

Liczba neutronów to różnica liczby masowej i porządkowej czyli A - Z.

2. Izotopy

Izotopy to różne postacie tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze. Jadra izotopów mają tę samą liczbę atomową, natomiast różną liczbę masową.

Izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, ale różne właściwości fizyczne.

Wodór to jedyny pierwiastek, którego naturalne izotopy mają swoje nazwy własne: prot (1H), deuter (2H) i tryt (3H).

Prot, najpowszechniej występujący izotop wodoru, składa się z protonu i elektronu. Prot i deuter są to izotopy stabilne. Tryt jest izotopem radioaktywnym.

3. Defekt masy

Masa jądra jest mniejsza niż suma mas poszczególnych jego składników. Defekt masy lub inaczej deficyt masy, który jest różnicą między sumą mas składników jądra a jego masą, jest równoważny energii uwolnionej podczas tworzenia jądra.

Deficyt masy oblicza się za pomocą wzoru:

gdzie $m_p$ jest masą protonu, $m_n$ jest masą neutronu a $m_j$ jest masą jądra.

4. Energia wiązania

Między nukleonami w jądrze działają przyciągające siły jądrowe (zwane również odziaływaniem silnym), które nie zależą od ładunku elektrycznego. Mają one bardzo duże wartości, ale krótki zasięg. W wyniku działania tych sił nukleony są ze sobą silnie związane.

Energia wiązania jądra odpowiada za różnicę między rzeczywistą masą jądra a sumą mas jego składników. Jest to energia niezbędna do utrzymania jądra razem.

Zgodnie z prawem Einsteina o równoważności masy i energii, energia wiązania jądra wynosi:

gdzie $∆m$ jest deficytem masy, c prędkością światła.

Energia wiązania jądra lekkiego rośnie wraz z liczbą masową atomu.

5. Promieniowanie jądrowe

Jądra niektórych atomów są niestabilne. Atomy te (izotopy pierwotne) ulegają spontanicznemu rozpadowi tworząc bardziej stabilny atom (izotop pochodny) i emitują przy tym promieniowanie radiacyjne. Substancje emitujące promieniowanie nazywane są radioaktywnymi.

Występują trzy rodzaje promieniowania jądrowego:

- alfa (α) – są zbudowane z 2 protonów i 2 neutronów. Mają dodatni ładunek równy dwukrotnemu ładunkowi elementarnemu i są identyczne z jądrami helu. Mają małą zdolność przenikania materii. Można je zatrzymać za pomocą kartki papieru;

- beta (β) – cząstki beta mają ujemny ładunek i masę stanowiąca 1/2000 masy protonu. Są elektronami (lub pozytonami) wytworzonymi w jądrze w wyniku rozpadu promieniotwórczego zwanego rozpadem beta (nie są to elektrony pochodzące z powłok atomu). Są one bardzo lekkie i poruszają się szybko. Zatrzymać go może cienka płyta z aluminium;

- gamma (γ) – promienie gamma są falami elektromagnetycznymi, nie cząstkami. Nie mają masy, ani ładunku. Promieniowanie gamma ma największą zdolność przenikania materii . Niskoenergetyczne promienie gamma przenikają przez powietrze, papier lub cienką warstwę metalu. Wysokoenergetyczne promienie może zatrzymać jedynie kilka centymetrów ołowiu lub kilka metrów betonu.

6. Dawka promieniowania

Wielkości i jednostki używane do pomiaru radioaktywności i jej skutków:

- Aktywność promieniotwórcza (A) odnosi się do ilości promieniowania jonizującego uwalnianego przez daną substancję. Reprezentuje ona liczbę atomów ulegających rozpadowi w danym okresie czasu. Jednostką w układzie SI jest bekerel (Bq).

gdzie N jest liczbą rozpadów, t – jednostka czasu.

- Napromieniowanie opisuje ilość promieniowania przechodzącego przez powietrze. Jednostką jest $\frac{\mathrm{kulomb}}{\mathrm{kilogram}}$ ($\frac{C}{kg}$).
- Dawka pochłonięta (D) odnosi się do ilości promieniowania pochłoniętego przez obiekt lub osobę. Jednostką w układzie SI jest grej (Gy).

gdzie E – energia promieniowania pochłoniętego przez ciało, m – masa ciała.

Tradycyjną jednostką dawki pochłoniętej jest rad, 1 Gy = 100 rad.

- Dawka równoważna opisuje ilość promieniowania pochłoniętego przez człowieka, skorygowana przez rodzaj promieniowania, opisany przez współczynnik wagowy promieniowania i wpływ na poszczególne narządy. Jednostką w układzie SI jest siwert (Sv).

7. Okres połowicznego rozpadu

Szybkość rozpadu promieniotwórczego mierzy się przy pomocy pojęcia czasu połowicznego rozpadu.

Okres połowicznego rozpadu jest to czas potrzebny na to, by radioaktywność danego izotopu zmalała o połowę i oznaczany jest jako T lub TIndeks dolny 1/2_1/2. Po dwóch okresach połowicznego rozpadu wielkość próbki zmniejszy się czterokrotnie, po trzecim okresie połowicznego rozpadu pozostanie jedna ósma atomów, które nie uległy rozpadowi, i tak dalej. Okres połowicznego rozpadu nie zależy od wieku jąder ani od ich ilości.

Rozpad radioaktywny w funkcji czasu ma charakter wykładniczy.

8. Prawo rozpadu promieniotwórczego

Prawo rozpadu promieniotwórczego opisuje statystycznie, w jaki sposób zachowują się duże ilości nuklidów. Mówi ono, że:

gdzie N(t) jest całkowitą liczbą radioaktywnych jąder, które nie uległy przemianie, w danej chwili t, ∆N jest liczbą radioaktywnych jąder, które rozpadły się w przedziale czasu ∆t.

Prawdopodobieństwo przemiany jądrowej jest różne dla każdego jądra radioaktywnego i wyrażone jest przy pomocy stałej rozpadu λ. Jednostką stałej rozpadu jest sIndeks górny -1^-1.

Radioaktywność danego obiektu mierzona jest jako ilość rozpadów w ciągu sekundy – im więcej ich jest, tym bardziej jest on radioaktywny.

Szybkość rozpadu mówi o tym, jaka jest aktywność danej próbki i jest zdefiniowana jako liczba rozpadów w danym przedziale czasu.

Podstawową jednostką aktywności jest bekerel (Bq).

9. Przemiany jądrowe

W procesie rozpadu promieniotwórczego jądro ulegające rozpadowi nazywa się jądrem macierzystym, a produkt procesu nazywa się jądrem potomnym. Prawo przesunięć, znane również jako prawo Soddy’ego i Fajansa, opisuje relacje między jądrem macierzystym a jądrem potomnym pod względem liczby atomowej i liczby masowej.

Podczas przemian jądrowych spełnione jest:

- Zasada zachowania liczby nukleonów – suma liczby nukleonów we wszystkich produktach rozpadu jest równa liczbie nukleonów przed rozpadem.
- Zasada zachowania ładunku – suma ładunków w produktach rozpadu jest po rozpadzie taka sama jak przed rozpadem.
- Zasada masy i energii – suma mas i energii po rozpadzie jest taka sama jak przed rozpadem.

Rozpad α:
W rozpadzie α, nowy pierwiastek ma liczbę atomową mniejszą o 2 i liczbę masową mniejszą o 4 od macierzystego radioizotopu. Rozpad α można wyrazić jako:

Przykład: W rozpadzie α rad ${}_{88}{}^{226}Ra$ ulega przemianie w radon ${}_{86}{}^{222}Rn$.

Rozpad β:
W rozpadzie β (emitowana cząstka jest elektronem lub protonem), liczba masowa pozostaje niezmieniona, podczas gdy liczba atomowa zwiększa się lub zmniejsza się o 1 w stosunku do macierzystego radioizotopu. Rozpad β można wyrazić jako:

Przykład: W rozpadzie β tor ${}_{90}{}^{234}Th$ ulega przekształceniu w protoaktyn ${}_{91}{}^{234}Pa$.

Rozpad γ:
Kiedy radioaktywne jądro emituje promieniowanie γ, zmienia się tylko poziom energii jądra, a liczba atomowa i liczba masowa pozostają takie same.

Podczas rozpadu α lub β jądro potomne znajduje się przeważnie w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego wiąże się z emisją promieniowania γ.

Przykład: Podczas przemiany radu ${}_{88}{}^{226}Ra$ w radon ${}_{86}{}^{222}Rn$, radon powraca ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego i emitowane jest promieniowanie γ o energii 0,187 MeV.

10. Reakcje jądrowe

W procesach jądrowych, w których zderzają się dwa jądra lub nukleony, powstają produkty inne niż początkowe cząstki. Proces ten nazywa się reakcją jądrową. Reakcja jądrowa nie zachodzi spontanicznie, lecz musi dojść do zderzenia dwóch cząstek.

Reakcję jądrową, podobnie jak w przypadku rozpadów jądrowych, można przedstawić za pomocą równania zbilansowanego:

gdzie, X – jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza:

a – cząstka bombardująca;
Y – jądro powstałe w czasie reakcji;
b – cząstka powstała w czasie reakcji.

11. Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jądrowe jest rodzajem reakcji jądrowej, w której jądro dzieli się na mniejsze fragmenty o mniejszej masie. W procesie rozszczepienia powstają swobodne neutrony i promieniowanie gamma. W procesie tym uwalniana jest duża ilość energii.

Rozszczepienie jądrowe przeprowadzane jest w jądrowych reaktorach energetycznych.

Przykładowa reakcja:

[Grafika interaktywna]

12. Reakcja łańcuchowa

Podczas reakcji rozszczepienia uwalniane są neutrony. Mogą uderzać w inne jądra rozszczepialne i powodować ich rozszczepienie. Na wskutek tego zostaje uwolnionych coraz więcej neutronów, które z kolei mogą rozszczepić więcej jąder. Proces ten nazywany jest reakcją łańcuchową. Reakcja łańcuchowa w reaktorach jądrowych jest kontrolowana po to, by powstrzymać jej zbyt szybki przebieg. Reakcja łańcuchowa trwa tak długo, jak długo jądra rozszczepialne są obecne w próbce.

13. Elektrownia jądrowa

Elektrownie jądrowe spełniają podobną funkcję jak elektrownie na paliwa stałe – ich zadaniem jest dostarczanie energii. W przypadku elektrowni jądrowej jest energia uwalniana podczas reakcji łańcuchowej. Energia ta, wytworzona w reaktorze, wykorzystywana jest do zamiany wody w parę wodną, która z kolei napędza wirniki turbin. W wyniku tego powstaje energia elektryczna.

Reaktor jądrowy to podstawowy element elektrowni jądrowej, w którym zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa.

Najważniejsze elementy reaktora jądrowego stanowią:

- Paliwo – czyli materiał rozszczepialny np. wzbogacony uran, pluton.
- Moderator – substancja słabo absorbująca neutrony, której zadaniem jest ich spowolnienie np. ciężka woda, grafit.
- Pręty sterujące (kontrolne) i pręty bezpieczeństwa – zbudowane z substancji silnie pochłaniających neutrony, np. kadm, bor.
- Chłodziwo – substancja odprowadzająca ciepło z rdzenia reaktora np. woda, ciekły sód.

14. Synteza termojądrowa

Synteza jądrowa to rodzaj reakcji jądrowej, w której dwa lekkie jądra zderzają się ze sobą, tworząc pojedyncze, cięższe jądro. Jądro to jest niestabilne i rozpada się na bardziej stabilne produkty pochodne. W tym procesie, zgodnie z zasadą równoważności masy i energii, uwalniana jest energia, ponieważ masa nowego jądra jest mniejsza niż suma mas zderzających się jąder.

Niektóre możliwe reakcje syntezy jądrowej:

$D+T\to {}_{}{}^{4}He+n+17,58MeV$

$D+T\to {}_{}{}^{4}He+n+3,27MeV$

$D+D\to T+p+4,03MeV$

$D+{}_{}{}^{3}He\to {}_{}{}^{4}He+p+18,35MeV$

$p+{}_{}{}^{11}B\to 3{}_{}{}^{4}He+8,7MeV$

Procesy syntezy termojądrowej zachodzą:

- we wnętrzach gwiazd, również w naszym Słońcu;
- w bombach wodorowych;
- w reaktorach termojądrowych (jak dotąd tylko eksperymentalnych, pozbawionych zastosowań przemysłowych).

15. Detekcja promieniowania

Urządzenia służące do wykrywania i rejestrowania promieniowania jądrowego (jonizującego) nazywamy detektorami cząstek. Najczęściej są to urządzenia wykorzystujące zjawiska:

- jonizacji gazu (komora jonizacyjna, komora Wilsona, komora pęcherzykowa, licznik Geigera‑Müllera);
- pobudzania pewnych substancji do świecenia (licznik scyntylacyjny);
- reakcji chemiczne (emulsja fotograficzna).

16. Promieniotwórczość w technice i medycynie

Sztuczna promieniotwórczość znalazła szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach:

- Energetyka – elektrownie, baterie jądrowe (używane np. do rozruszników serca).
- Medycyna – radioizotopy, znaczniki do badań diagnostycznych, leczenie chorób nowotworowych (bomba kobaltowa), akceleratory.
- Nauka – określanie wieku znalezisk archeologicznych metodą datowania radiowęglowego (datowanie izotopem Indeks górny 14¹⁴C), analiza aktywacyjna (bardzo czuła metoda badania składu pierwiastkowego próbki).
- Technika – silniki atomowe okrętów i statków kosmicznych, precyzyjne grubościomierze, świecące farby, czujniki dymu.
- Przemysł – wykrywanie defektów w elementach silników samolotowych, sterylizacja żywności i sprzętu medycznego, kontrola terminu ważności produktów.

Podsumowanie lekcji

Fizyka jądrowa to dziedzina fizyki, która zajmuje się strukturą jądra atomowego, bada zachodzące w nim procesy oraz procesy z udziałem jąder atomowych.