Atomové jádro, jaderné reakce a reaktory, radioaktivita – maturitní otázka z chemie

 

   Otázka: Atomové jádro, jaderné reakce a reaktory, radioaktivita

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Tomáš

 

 

 

 

Stavba atomového jádra, jaderné reakce, jaderné reaktory, radioaktivita, využití radionuklidů

 

I) Stavba atomového jádra

Základní informace:

  • Jádro atomu se skládá z množství nukleonů (A); ty se dělí na určitý počet protonů (Z) a neutronů (N), z kterých oba dva patří mezi fermiony.
  • Ke zkratce atomu se píše vlevo dole protonové číslo a nad něj číslo nukleonové

 

a) Fermiony:

  • Všechny elementární částice jsou buď fermiony, nebo bosony.
  • Fermiony jsou částice s poločíselným spinem (1/2,3/2,5/2). Díky tomu při jejich rotaci o 360° se změní znaménko jejich vlnové funkce ψ.
  • Částice složena z lichého počtu fermionů má pořád poloviční spin a chová se jako fermion, kdežto částice složena z sudého počtu má celý spin a chová se jako boson.
  • Druhy fermionů:
    • Elementární částice látky:
      • leptony: elektron, mion, tauon, elektronové neutrino, tau neutrino, mion neutrino
      • kvarky: dolů (d), nahoru (u), podivný (s), půvabný (c), spodní (b), svrchní (t
    • Baryony:
      • nukleony: proton, neutron
      • hypertony: Λ, Ξ, Σ, Ω
      • pentakvarky
    • Atomová jádra s poločíselným spinem:
      • triton (jádro tritia)
      • helion (jádro He-3)
    • Hypotetické částice
    • Ke všem částicím jsou i antičástice s opačným elektrickým nábojem.

 

b) Proton:

  • Značení:
  • i) p+
  • ii) Z (protonové číslo atomu)
  • m(p) = 1,672 648 · 10-27 kg
  • Q(p) = 1,6 · 10-19 C
  • Informace:
    • Proton je baryon s kladným nábojem +1e a hmotností o trochu lehčí než neutron. Je složen z dvou u kvarků a jednoho d
    • Je stabilní částicí s teoretickým poločasem rozpadu přes 1035
    • V chemii a biochemii je proton označení pro iont vodíku.

 

c) Neutron:

  • Značení:
  • i) n0
  • ii) N (neutronové číslo atomu)
  • m(n) = 1,674 954 · 10-27 kg
  • Q(n) = 0 C
  • Informace:
    • Neutron je baryon s nulovým nábojem 0e a hmotností o trochu těžší než proton. Je složen z dvou d kvarků a jednoho u
    • Neutron je mimo atomové jádro nestabilní částicí s poločasem rozkladu 881,5 ± 1,5 sekund (zhruba 14,7 minut). Rozpadá se na proton, elektron a elektronové antineutrino.

 

Modely atomového jádra:

  • a) kapkový model
    • Předpokládá se, že jaderné síly působí na nukleony na velmi krátkou vzdálenost (tzn. že na každý nukleon působí stejnou silou jen jeho bezprostřední sousedé).
    • Na nukleony na povrchu jádra působí silné síly jen směrem do jádra (podobně jako s povrchovým napětím kapalin).
    • Využití modelu: vysvětlení štěpení jader atomů.
    • Nedostatky: nevysvětluje stabilitu atomu při dosažení „kouzelných čísel“ protonů a neutronů.

 

  • b) slupkový model
    • Předpokládá se, že nukleony jsou v jádře uspořádány v určitých energetických hladinách/ slupkách (obdobně jako elektrony v elektronovém obalu).
    • Jednotlivé energetické hladiny se postupně zaplňují dvěma protony a dvěma neutrony se spiny ½. Prvky s plně obsazenými slupkami jsou relativně stabilní 126C  168O  2010Ne
    • U lehkých jader (Z < 20) se jádra atomů skládají z přibližně stejného počtu protonů i neutronů.
    • U těžších jader (20 ≤ Z ≤ 83) se začíná uplatňovat elektrostatické odpuzování protonů a k udržení stability jádra se musí e.-st. síly kompenzovat silnými jadernými silami většího počtu neutronů. S rostoucím protonovým číslem je zapotřebí čím dál více neutronů. Nejtěžší stálý nuklid je izotop bizmutu20983Bi.
    • U ostatních jader (83 ≤ Z) jsou odpudivé síly protonů tak velké, že je nedokáže úplně stabilizovat libovolný počet neutronů. Toto vede k postupnému samovolnému rozkladu, který se nazývá radioaktivita.

 

II) Jaderné reakce

a) Syntéza jader

  • Jádra lehčích prvků se spojují v těžší jádro jiného prvku.
  • Příklad: Terčík obsahující deuterium je bombardován urychlenými jádry deuteria (deuterony). Některé deuterony zasáhnou terčík a proběhne jaderná syntéza.
    • Produkty:
      • 32He (izotop lehkého helia) + n0
      • 31He (tricium) + p+
    • V obou případech se uvolní přibližně 50 000 kWh energie na gram použitého deuteria, stejné množství energie, jako při spálení 3 tun kvalitního černého uhlí.
    • 31He je radioaktivní s poločasem rozpadu 12 let. Rozpadá se na 32He , ß- a na antielektronové neutrino.

 

b) Štěpení jader

  • Jádra těžšího prvku zasaženého částicí se rozštěpí v několik jader jiných prvků a uvolní se určité množství jiných částic.

 

III) Jaderný reaktor

   Základy:

  • Jaderný reaktor vyrábí a moderuje uvolněnou jadernou energii získanou rozkladem atomů určitých prvků. Ta se přemění na teplo které tvoří páru na pohon elektrického generátoru.
  • Většina jaderné elektřiny (kolem 13% celkové světové) je produkována jen dvěma druhy jaderných reaktorů, které se vyvinuly v 50. letech 19. století a byly dosud vylepšovány. Postupně se tvoří nové modely kvůli postupnému snižování funkčnosti starších.

 

Stavba:

  • Pohonná hmota: Uran ve formě UO2 se aranžuje do formy palivových tyčí, které se naaranžují do palivových článků v reaktorovém jádru.
  • Moderátor: Materiál v jádře, který zpomaluje neutrony vypuštěné jaderném štěpením aby mohly nadále štěpit. Většinou jím bývá voda, ale může se použít i těžká voda nebo grafit
  • Řídící tyče: Složeny z materiálu, který absorbuje neutrony (např. kadmium, hafnium, bor). Jejich vsouváním/vysouváním z jádra se řídí rychlost štěpné reakce nebo se může dokonce i zastavit.
  • Chladivo: Kapalina cirkulující jádrem která z něj přemisťuje teplo. V lehkovodních reaktorech má vodní moderátor také funkci primárního chladiva. S výjimkou varných reaktorů je v reaktoru i chladící obvod ve kterém se voda přeměňuje na páru.
  • Tlakové nádoby nebo trubice reaktorů: Většinou robustní ocelové nádoby obsahující reaktorové jádro a moderátor/chladivo, může ale být i několik trubic které obsahují palivo a převádí chladivo přes obklopující moderátor.
  • Parogenerátor: Část chladícího systému natlakovaných vodních reaktorů (PWR a PHWR) kde se využívá vysoce natlakované primární chladivo, již přivádějící teplo z reaktoru, k vytvoření páry pro turbínu v sekundárním obvodu. Reaktory mají až 6 „oblouků“, každý s parogenerátorem.
  • Ochranná nádoba: Struktura kolem reaktoru a parogenerátorů s účelem chránit jak reaktor od vnějších vlivů, tak okolí od účinků radiace při možnosti vážní nehody uvnitř. Typicky se skládá z metru široké betonové stěny a z oceli.

 

Doplnění paliva:

Aby se doplnilo palivo v jaderném reaktoru, musí se nejdříve otevřít tlakové nádoby. Proto se mění

jednou za 1 až 2 roky; obměňuje se čtvrtina až třetina palivových tyčí.

Přírodní uran (0.7% U-235, přes 99.2% U-238) se využívá, když se jako moderátor používá těžká voda

nebo grafit; jinak se musí využívat rafinovanější palivo s větším obsahem U-235 (lehká voda jako

moderátor).

 

Typy reaktorů:

  • Tlakovodní reaktor:
    • Voda je natlakována na zhruba 150× atmosférický tlak, aby voda, zahřívána na teploty kolem 325°C, se nevařila.

 

  • Varný reaktor:
    • Voda je podobně jako u tlakovodního reaktoru natlakována, ale to jen na 75× atmosférický tlak. Voda zde přichází k varu v teplotách kolem 285°C. Obvod je jen jeden, turbína se musí chránit od radioaktivity vody. Radioaktivita z vody vyprchá za kratší časové období, tím pádem je bezpečné dělat opravy na turbíně když se reaktor vypne.
    • Voda se využívá jako moderátor: může se snížit nebo zvýšit tlak a vznikne pára.

 

  • CANDU:
    • Reaktor (CANada Deuterium-Uranium) vznikl v Kanadě.
    • Reaktor využívá jako moderátor těžká voda (D2O). Jako palivo je využita uranová ruda (0,7% U-235).
    • Těžká voda je pod vysokým tlakem a dosahuje teplot kolem 290°C.

 

•    Pokročilý plynem chlazený reaktor

  • Jako moderátor se používá grafit, chladivem je CO2 (sekundárním chladivem je stále voda).
  • CO2 se zahřívá k teplotám kolem 650°C.

 

  • Další reaktory:
    • RBMK
    • Pokročilé reaktory
    • Rychloneutronový reaktor
    • Plovoucí jaderné reaktory (Antarktida)

 

IV) Radioaktivita

  • Základy:
    • Radioaktivita je jev, při němž dochází k samovolné vnitřní přeměně složení nebo energetického stavu atomového jádra daného nuklidu (nazýván radionuklidem). Zpravidla je emitováno vysokoenergetické (ionizující) záření. Když dojde k změně počtu protonů v jádře atomu, změní se na (většinou nestabilní) atom prvku s nižší hmotností.

 

  • Důvod:
    • Jaderné síly neutronů už jsou příliš slabé aby udržely jádro s příliš velkým počtem protonů v stabilitě (viz 2).
    • Poznámka: Z důvodů jaderných sil jsou nuklidy do určité hmotnosti relativně stabilní. Sami o  sobě jsou ale obsažené nukleony méně stabilní. Proton je sice stabilní (je sice vypočítán poločas rozpadu na 1035 let, to je však jen teorie, protože se nedá s dnešními vědomostmi dokázat), neutron má ale i přes podobné složení (1u 2d oproti 2u 1d (1)) poločas rozpadu podstatně menší, tj. zhruba 611 vteřin. Neutron se dále rozpadá na proton a přeměna d kvarku do u kvarku uvolní jeden elektron a antielektronové neutrino. Tato přeměna se nazývá přeměna beta minus.

 

  • Druhy radioaktivního záření:
    • Ionizační záření:
      • Obecná charakteristika: Záření nesoucí dostatečnou energii, aby uvolnilo elektrony od atomů či molekul a tímto je zionizovalo.
      • Záření α a α-rozklad:
        • Proud jader He (částice α). Protože jsou to jen jádra o dvou protonech a neutronech, mají docela kladný náboj.
        • Protože mají α-částice relativně vysokou hmotnost, kladný náboj (+2) a nízké rychlosti (jen 5% rychlosti světla), mají tendenci se slučovat s jinými atomy a ztrácet svou energii. Proto je jejich prostupnost minimální a zastaví je i pouhý list papíru.

 

  • Výskyt: Jakýkoliv radioaktivní prvek s jádrem většího nebo rovného jádru telluru (s těžkým jádrem a nízkou vazebnou energií).

 

  • Využití: Detektory kouře (Americium, α-částice ionizují vzduch v malém otvoru, kterým se pak pouští malý elektrický proud. Částečka kouře sníží tok a spustí se poplach), RTG generátory (α-rozklad, bezpečný zdroj energie, jelikož na odstínění stačí 2.5 mm vrstva Pb), protistatické zařízení (α-částice ionizují vzduch a statická elektřina rychleji vymizí) a zatím experimentální radioterapie (bombarduje nádor α-částicemi, tím zastaví růst nádoru).

 

  • Nebezpečí: Protože se α-částice šíří jen několika cm vzduchu a mají malou prostupnost, jejich nebezpečí je značně omezené. Zdroje α-záření se může i dotýkat, kůže před ním chrání. Problém nastává při prostoupení přes dermis díky poranění, vdechnuty, nebo pozřeny. V tom případě může způsobovat defekty funkčnosti buněk (neovladatelné dělení, tj. rakovinu, nebo smrt buňky) nebo dokonce i ionizační škody.
  • Stínění: List papíru.

 

  • Záření β a β-rozklad:
    • Proud elektronů či pozitronů. Je vydán přeměnou neutronu na proton a naopak. Toto se děje, aby se atom dostal do optimálního poměru mezi nukleony (z důvodů vyšší stability).
  • β rozklad: Neutron se přemění na proton, uvolní se W Ten je velmi nestabilní (poločas rozkladu 3×10-25 s), rozkládá se na elektron a elektronové antineutrino.
    • Výskyt: Jen tam, kde je vazebná energie atomu, který vznikne, větší, než atomu původního (dosáhne nižší energie a entropie).
  • β+ rozklad: Proton se přemění na neutron, uvolní se W+ Ten je velmi nestabilní (poločas rozkladu 3×10-25 s), rozkládá se na pozitron a elektronové neutrino.
    • Výskyt: V produktech jaderných reakcí, které vždy mají nadměrný počet neutronů. Nejčastější záření v radioaktivním odpadu.

 

  • Využití: Léčení rakoviny očí a kostí, kontrola kvality (rovnoměrné tloušťky) papíru při jeho výrobě, radioterapie, beta světlo (rozkládající tricium ve světle vyzařuje β-částice; ty dopadají na fosfor, který svítí. Poločas rozkladu tricia je 12.32 let, to je také doba, za kterou svítí světlo o polovinu méně. Světlo nepotřebuje externí zdroj energie a samozřejmě se nedá vypnout) a výroba pozitronů pro PET tomografii.

 

  • Nebezpečí: Mění strukturu molekul, kterými proletí, dokonce způsobuje mutace když proletí DNA. Způsobuje v extrémních případech rakovinu až smrt. Paradoxně se využívá v radioterapii k zahubení rakovinných buněk.
  • Stínění: Hliníková folie.

 

  • Záření γ a γ-rozklad:
    • Proud vysokoenergetických protonů.
    • γ-rozklad: Potom, co jádro atomu podlehne buď α nebo β-rozkladu, často zůstane v excitovaném stavu. Dodatečná energie se uvolní ve formě γ-částic atom klesne do normálního stavu.

 

  • Výskyt: V jaderném odpadu, občasně při úderu blesku (zrychlené elektrony X pomalé atomy atmosféry), je emitováno různými kosmickými objekty (,pulsary, magnetary, kvasary, aktivní galaxie, hypernovy) a gama záblesky (kolize dvou neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy a černé díry).

 

  • Nebezpečí: Sice není tak ionizující jako α nebo β-záření, zato je ale mnohem pronikavější. Nízké dávky způsobují různou pravděpodobnost ničení DNA a tvorby rakoviny, zato vysoké dávky už přímo poškozují tkáně. Může způsobovat nevolnost, ztrátu vlasů a vnitřní krvácení. Dávka nad 7.5–10 Sv po celém těle způsobí smrt, která se zatím nedá nijak odvrátit, dokonce ani transplantacemi kostní dřeně.

 

  • Využití: Zisk informací o kosmu přístroji, molekulární změny polodrahokamů (např. topaz→ modrý topaz), průmysl (měření tloušťky, rovně a hustoty), CSI (Container Security Initiative, skenování obsahu kontejnerů, samozřejmě USA), odstranění živých organizmů a bakterií, radiochirurgie a pro účely diagnózy v jaderné medicíně.

 

IV) Využití radionuklidů

  • Röntgenové záření
  • Celistvost výrobků
  • Nalezení a léčení rakoviny
  • Výzkum genetiky (identifikace biochemických a buněčných změn)
  • Struktura materiálů
  • Vlhkost materiálů






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: