Temat

Reakcje łańcuchowe

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

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

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyjaśnia, czym jest reakcja jądrowa.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Opisuje daną reakcję jądrową za pomocą zbilansowanego równania.

2. Omawia różne typy reakcji jądrowych.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje, czym jest reakcja jądrowa,

- używa zbilansowanego równania do opisu reakcji jądrowych.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Nauczyciel inicjuje dyskusję.

Jak za pomocą równania opisujemy rozpad radioaktywny? Na co należy zwracać uwagę, by równanie było poprawne?

Realizacja lekcji

Nauczyciel wprowadza pojęcia dotyczące reakcji jądrowych.

Reakcje jądrowe:
W rozpadzie radioaktywnym pojedyncze jądro dzieli się na dwie części. W innych procesach jądrowych, w których zderzają się dwa jądra lub nukleony, powstają produkty inne niż początkowe cząstki. Proces ten nazywa się reakcją jądrową.

W rozpadzie radioaktywnym przemiana zachodzi spontanicznie, podczas gdy w reakcji jądrowej jest inicjowana zderzeniem.

Jeśli cząstki zderzają się, a produkty zderzenia pozostają takie same, proces ten nazywamy raczej zderzeniem elastycznym niż reakcją.

[Grafika interaktywna]

Równanie reakcji jądrowej:
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.

Czasami używana jest notacja skrócona:

W wyniku zajścia reakcji jądrowej powstaje inne jądro w stanie podstawowym lub wzbudzonym. Stan wzbudzony jest krótkotrwałym stanem przejściowym, po którym jądro wraca do stanu podstawowego. Procesowi temu towarzyszy emisja cząstki lub promieniowania. Gdy jądro produktu jest w stanie wzbudzonym, jest to zaznaczane przez umieszczenie gwiazdki obok jego symbolu:

We wszystkich procesach jądrowych zachowane są następujące wielkości:

- Liczba masowa.
- Liczba atomowa.
- Masa - energia.
- Pęd.

Przykład:

Lit ${}_3{}^6\mathrm{Li}$ i deuter ${}_1{}^{2}H$ zderzają się i tworzą wzbudzone pośrednie jądro berylu ${}_4{}^8\mathrm{Be}$. Wzbudzone jądro berylu rozpada się natychmiast na dwie cząstki alfa:

Całkowita liczba atomowa i liczba masowa po obu stronach równania są równe.

[Ilustracja 1]

W reakcjach jądrowych energia jest produkowana lub musi być dostarczona. W równaniu reakcji energia Q jest zapisywana po prawej stronie równania:

Dla omówionej powyżej reakcji litu z deuterem energia reakcji wynosi Q = 22,4 MeV.

Stąd:

Energia reakcji Q jest dodatnia dla reakcji egzotermicznych i ujemna dla reakcji endotermicznych. Energia może być dostarczona poprzez przyspieszanie bombardującej cząstki lub uzyskana w postaci energii cząstki produkowanej i odrzutu powstałego jądra.

Polecenie 1

Napisz zbilansowane równanie reakcji jądrowej dla procesu:

Odpowiedź:

Transmutacje jądrowe:
Transmutacja jądrowa jest sztuczną metodą przekształcania jednego pierwiastka lub izotopu w inny.

W pierwszym eksperymencie transmutacji jądrowej, przeprowadzonym przez Rutherforda w 1919 roku, trzy nukleony z jądra helu zostają przeniesione i powstaje tlen:

Zanim powstanie stabilne jądro tlenu ${}_8{}^{17}O,$ tworzy się niestabilne jądro fluoru ${}_9{}^{18}F*,$ które rozpada się i emituje proton.

Neutron został odkryty przez Chadwicka w 1932 roku. Bombardował on beryl cząstkami helu i podczas tej reakcji tworzył się węgiel i neutron:

Inne reakcje jądrowe:
Reakcje jądrowe mogą być wykorzystane do wytworzenia energii elektrycznej. W reaktorach jądrowych lub elektrowniach reakcja jądrowa, nazywana rozszczepieniem jądrowym (rozbijanie jąder atomowych) jest przeprowadzana pod kontrolą i wytwarzana podczas reakcji energia jest wykorzystywana do wytworzenia energii elektrycznej.

Reakcja jądrowa występująca wewnątrz Słońca, jest nazywana cyklem protonowym. W tzw. cyklu protonowym cztery atomy wodoru biorą udział w szeregu reakcji i tworzą jeden atom helu. W tym łańcuchu reakcji wytwarzana jest energia w postaci promieniowania gamma i cząstek zwanych neutrinami.

Tablica okresowa i ciężkie jądra:
Najbardziej masywnym naturalnie występującym pierwiastkiem na Ziemi jest uran U, z jądrem składającym się z 92 protonów. Wszystkie pierwiastki o Z > 92 są nazywane transuranowcami. Jednak badanie reakcji jądrowych doprowadziło do wniosku, że istnieją jeszcze cięższe jądra. W 1934 roku naukowcy rozpoczęli poszukiwanie bardziej masywnych pierwiastków z liczbą protonów równą lub większą niż 93. Obecnie układ okresowy ma 118 potwierdzonych pierwiastków.

Polecenie 2

Pluton ${}_{94}{}^{239}Pu$ można wytwarzać przez bombardowanie uranu ${}_{92}{}^{238}U$ cząstkami alfa. Ile neutronów będzie produkowanych jako produkt uboczny każdej reakcji? Napisz odpowiednią reakcję jądrową.

Odpowiedź:

Podsumowanie lekcji

Reakcja jądrowa to proces, w którym zderzają się dwa jądra lub nukleony i powstają produkty inne niż początkowe cząstki.