H + H →He + n U Pu

Nauczyciel: Dorota Dowiatt Przedmiot: Fizyka

Klasa: 1 TIA

Temat lekcji: Promieniowanie jądrowe Data lekcji: 07.05.2020

Wprowadzenie do tematu:

Energia jądrowa:

Reakcją jądrową może być przemiana alfa i beta ale też rozszczepienie. W wyniku rozszczepienia z jądra jednego pierwiastka otrzymujemy dwa mniejsze jądra innych pierwiastków. Podczas tego procesu wydziela się dużo energii, którą można wykorzystać. Rozszczepienie może zachodzić samorzutnie w przyrodzie lub możemy wywołać je sztucznie w sposób kontrolowany.

Rozszczepienie jądra atomowego uranu ²³⁵₉₂

U

czy plutonu ²³⁹₉₄

Pu

przebiega w ten sposób, że neutron uderza w jądro i rozszczepia je na lżejsze jądra. W wyniku tego rozpadu powstaje energia a także dwa lub trzy neutrony. Powstałe neutrony mogą uderzyć w kolejne jądra powodując ich rozpad. Podczas tej reakcji wydzieli się kolejna porcja energii i kolejne neutrony, które mogą uderzyć w kolejne jądra atomowe i tak dalej. W ten sposób reakcja rozpadu zachodzi coraz szybciej – zachodzi reakcja łańcuchowa.

Jeśli neutron uderzy w jądro ciężkiego pierwiastka, np. uranu, może spowodować reakcję rozszczepienia.

Wydziela się wówczas energia i wysyłane są nowe neutrony rozbijające kolejne jądra uranu. Reakcję tę nazywany reakcją łańcuchową. Skąd wziąć pierwszy neutron, który może zapoczątkować reakcję łańcuchową?

Neutrony powstają w uranie cały czas ponieważ jego jądra rozpadają się samorzutnie. Trzeba tylko zgromadzić w jednym miejscu odpowiednią ilość uranu, aby powstałe neutrony uderzały w kolejne jądra. Taką ilość nazywamy masą krytyczną i dla uranu wynosi ona 52 kg.

Reakcja łańcuchowa zachodzi w bombie jądrowej, zachodzi też w elektrowni jądrowej. Wybuch bomby jest bardzo szybki i uwalniane są ogromne ilości energii. W reakcji w elektrowni atomowej rozszczepienie przebiega łagodniej, wolniej w sposób kontrolowany. W reaktorze umieszczone są pręty paliwowe pochłaniające nadmiar neutronów dzięki czemu można kontrolować ich liczbę.

Synteza termojądrowa – łączenie się jąder lekkich pierwiastków (lżejszych od żelaza) – najwięcej energii otrzymuje się łącząc jądra atomów wodoru w jądra helu. Jednak doprowadzenie do takiej reakcji jest bardzo trudne i wymaga aby reakcja zachodziła w gazie o temperaturze kilku milionów stopni. Synteza termojądrowa jest źródłem energii Słońca i innych gwiazd.

Przykładowa reakcja syntezy – z jąder trytu i deuteru powstaje jądro helu i neutron:

1

H

3

+

₁²

H → He

₂⁴

+

₀¹

n

Niestety do tej pory nie udało się zbudować elektrowni, która by wykorzystywała energię reakcji termojądrowej.

Deficyt masy

Aby odpowiedzieć na pytanie skąd bierze się energia wyzwalana w reakcjach jądrowych korzystamy ze wzoru, który zna chyba każdy:

E=m∙ c

²

Kiedy ciało wydziela energię – traci na masie, gdy zyskuje energię jego masa się zwiększa. Zmiana masy o 1 kg odpowiada zmianie energii o około 10¹⁷ J. Zmiana energii o 1 J odpowiada zmianie masy o około 10^-17 kg. Mamy więc do czynienia z ogromną ilością energii i ledwo zauważalnym ubytkiem masy.

W przypadku reakcji jądrowych proces wyzwalania energii łączy się z utratą masy.

Różnicę między masą składników jądra a masą jądra nazywamy deficytem masy. Na przykład w jądrze helu deficyt masy wynosi 5,03

∙

10^-29 kg, co zgodnie ze wzorem

E=m∙ c

² odpowiada energii 4,5

∙

10^-12 J. Taka energia wyzwoli się podczas procesów prowadzących do powstania jądra helu z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jeśli zechcemy rozszczepić jądro helu na protony i neutrony trzeba będzie ponownie dostarczyć do niego tę energię – nazywamy ją energią wiązania jądra.

Energię wyzwoloną podczas reakcji jądrowych można obliczyć, porównując masę substancji przed reakcją i po niej.

Instrukcja do pracy własnej: Proszę przygotować minimum po 3 argumenty (może być więcej) za i przeciw budowie elektrowni jądrowej.

Informacja zwrotna: Na argumenty przesłane mailem na adres dorota_dowiatt@wp.pl czekam do 14 maja (wystarczy wpisać w treść maila)