Fizikos mokomąjį komplektą X klasei sudaro: Vadovėlis Pratybų sąsiuviniai Pirmasis sąsiuvinis Antrasis sąsiuvinis
10
10
ISBN 978-5-430-05655-1
Vladas Valentinavičius Zita Šliavaitė
Fizika Vadovėlis X klasei
KAUNAS
Turinys VII–IX klasės kurso pagrindiniai fizikiniai dydžiai ir dėsniai / 4 1. Elektromagnetinė indukcija. Kintamoji elektros srovė 1.1. Elektromagnetinė indukcija / 7 1.2. Indukuotosios elektros srovės stipris ir kryptis / 9 1.3. Judantis laidininkas magnetiniame lauke / 12 1.4. Nuolatinė ir kintamoji elektros srovė / 14 1.5. Elektros generatorius / 16 1.6. Elektros energijos gamyba / 19 1.7. Transformatorius / 22 1.8. Elektros energijos perdavimas ir vartojimas / 26 Skyriaus „Elektromagnetinė indukcija. Kintamoji elektros srovė“ santrauka / 28 Savikontrolės užduotys / 29 2. Elektromagnetiniai virpesiai ir bangos 2.1. Kondensatorius – elektros krūvio kaupiklis / 31 2.2. Elektromagnetinių virpesių samprata / 33 2.3. Elektromagnetinių bangų spinduliavimas / 35 2.4. Radijo ryšys / 38 2.5. Televizija. Radiolokacija / 42 2.6. Analoginis ir skaitmeninis signalas / 45 Skyriaus „Elektromagnetiniai virpesiai ir bangos“ santrauka / 48 Savikontrolės užduotys / 49 3. Šviesos tiesiaeigis sklidimas, atspindys ir lūžimas 3.1. Šviesos stipris, srautas ir apšvieta / 51 3.2. Šviesos tiesiaeigis sklidimas / 55 3.3. Šviesos atspindys / 58 3.4. Šviesos lūžimas / 61 3.5. Visiškasis atspindys / 65 1-asis laboratorinis darbas. Šviesos lūžimo tyrimas / 68 Skyriaus „Šviesos tiesiaeigis sklidimas, atspindys ir lūžimas“ santrauka / 70 Savikontrolės užduotys / 71 4. Lęšiai ir optiniai prietaisai 4.1. Optinis lęšis ir jo rūšys / 73 4.2. Lęšių kuriami atvaizdai / 76 4.3. Plonojo lęšio formulė / 80 2-asis laboratorinis darbas. Glaudžiamojo lęšio židinio nuotolio ir laužiamosios gebos nustatymas / 82 4.4. Akies optinės savybės / 83 4.5. Optiniai prietaisai / 87
3-iasis laboratorinis darbas. Glaudžiamaisiais lęšiais gautų atvaizdų stebėjimas / 91 Skyriaus „Lęšiai ir optiniai prietaisai“ santrauka / 92 Savikontrolės užduotys / 93 5. Šviesos banginės ir dalelinės savybės 5.1. Šviesos dispersija / 95 5.2. Spektrai / 99 5.3. Elektromagnetinių bangų spektras / 101 5.4. Šviesos interferencija / 106 5.5. Šviesos difrakcija / 109 5.6. Fotoefektas / 113 Skyriaus „Šviesos banginės ir dalelinės savybės“ santrauka / 116 Savikontrolės užduotys / 117 6. Radioaktyvumas ir branduolinė energija 6.1. Bendroji atomo sandaros samprata / 119 6.2. Radioaktyvumas / 121 6.3. Radioaktyvumas ir branduolių virsmai / 123 6.4. Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis gyvajam organizmui / 127 6.5. Branduolinė energija / 130 Skyriaus „Radioaktyvumas ir branduolinė energija“ santrauka / 134 Savikontrolės užduotys / 135 7. Astronomijos pradmenys 7.1. Ką ir kaip tiria astronomija / 137 7.2. Žemė ir Mėnulis / 141 7.3. Saulės sistemos planetos / 144 7.4. Didžiosios ir nykštukinės planetos / 149 7.5. Mažieji Saulės sistemos kūnai / 153 7.6. Saulė – mums artimiausia žvaigždė / 157 7.7. Žvaigždės ir žvaigždynai / 159 7.8. Paukščių Takas ir kitos galaktikos / 163 Skyriaus „Astronomijos pradmenys“ santrauka / 166 Savikontrolės užduotys / 167 Priedai 1. Kartotinių ir dalinių vienetų sudarymo lentelė / 168 2. Kai kurių medžiagų tankio vertės / 168 3. Kampų nuo 0° iki 90° sinusai / 169 4. Periodinė cheminių elementų lentelė / 170 Skyrelių užduočių atsakymai / 171 Savikontrolės užduočių atsakymai / 172 Dalykinė rodyklė / 173 Naudota literatūra / 175 Naudotų iliustracijų šaltiniai / 175
3
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
6 6 118
Radioaktyvumas ir branduolinė energija Šiame skyriuje susipažinsite su: • atomo modeliais; • radioaktyvumo reiškiniu; • jonizuojančiąja spinduliuote; • šios spinduliuotės stebėjimo prietaisais; • grandinine dalijimosi reakcija; • branduoliniu reaktoriumi.
6.1. Bendroji atomo sandaros samprata Iš atomo sandaros istorijos Apie medžiagos sandarą jau nemažai sužinojome per chemijos, fizikos ir kitų dalykų pamokas. Kai ką pakartodami toliau gvildensime atomo ir jo branduolio sandarą, aptarsime kai kurių mokslo rezultatų taikymą. • Graikų filosofas Leukipas (Leukippos, 500– 440 iki Kr.) ir jo mokinys Demokritas (Dēmokritos, 460–360 iki Kr.) propagavo idėją, kad mažiausios nedalios materialiosios dalelės, iš kurių sudaryti kūnai, yra atomai. Deja, ši idėja daugelį amžių buvo pamiršta. • Iš užmaršties atomizmą prikėlė prancūzų filosofas ir matematikas Pjeras Gasendi (Pierre Gassendi, 1592–1655). Jis teigė, kad atomai gali jungtis į nedideles grupes, o visi kūnai yra atomų
junginiai. Gasendi sugalvojo molekulės pavadinimą (lot. moles – masė). • 1808 m. anglų fizikas ir chemikas Džonas Daltonas iškėlė idėją, kad atomas yra mažiausia cheminio elemento dalelė, kuri skiriasi nuo kitų elementų atomų savo mase. • Atominę medžiagos sandarą galutinai patvirtino Brauno judėjimo teorija ir periodinė elementų sistema, kurią atskirai vienas nuo kito 1869 m. sukūrė vokiečių chemikas Julijus Lotaras Mejeris (Julius Lotar Meyer) ir rusų chemikas Dmitrijus Mendelejevas. • Atradus radioaktyvumą (1896 m.) ir elektroną (1897 m.), paaiškėjo, kad atomas yra dalus; jis sudarytas iš smulkesnių dalelių.
Atomo modeliai Įsitikinus, kad atomai tikrai egzistuoja, mėginta paaiškinti jų sandarą. Mokslininkai siūlė įvairių atomo modelių. Paprasčiausi iš jų – mechaniniai atomo modeliai. 1903 m. garsus anglų fizikas Džozefas Džonas Tomsonas (Joseph John Thomson, 1856–1940) teigė, kad atomas yra mažas rutuliukas – teigiamojo krūvio debesėlis, kuriame elektronai išsidėstę kaip razinos pyrage. Bendras teigiamasis debesėlio krūvis lygus neigiamajam elektronų krūviui. Šis modelis gerai paaiškino reiškinius, kuriuose atomo sandara nevaidino jokio vaidmens. Kitą modelį, panašų į Saulės sistemą (Saturno modelį), 1904 m. pasiūlė japonų mokslininkas Hantaras Nagaoka (Hantarō Nagaoka,1865–1950). Jis spėjo, kad atomo centre yra masyvus teigiamą krūvį turintis branduolys, o aplink jį panašiai kaip planetos aplink Saulę juda elektronai. Atmesti Tomsono atomo modelį ir patvirtinti planetinį atomo modelį sugebėjo Ernestas Rezerfordas (1871–1937). 1911 m. jo atliktų bandymų rezultatai rodė, kad atome turi būti tuštumų. To-
6.1 pav.
dėl buvo pasiūlytas Rezerfordo atomo modelis, primenantis Saulės sistemą. Elektronai atome skrieja aplink branduolį panašiai kaip planetos aplink Saulę (6.1 pav.). Atomą sudaro branduolys ir elektroninis apvalkalas. Atomo spindulio ilgis siekia apie (0,53–1,5) · 10–10 m, branduolio – (1,3–9) · 10–15 m. Skiriasi ir įvairių atomų masė: nuo 1,67 · 10–27 kg (vandenilio) iki 3,95 · 10–25 kg (urano). Didžiausia atomo masės dalis (apie 99,9 %) sutelkta branduolyje, kurio tankis nepaprastai didelis – apie
119
(1,4–1,8) · 1017 kg/m3. Elektroninio apvalkalo dalelė – elektronas – yra elementarioji dalelė, turinti vieną neigiamąjį elementarųjį krūvį e = –1,6 · 10–19 C ir masę me = 9,1 · 10–31 kg. Atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų. Kartu jie vadinami nukleònais. Protonas (žymimas p) yra elementarioji dalelė, kurios krūvis lygus elementariojo krūvio moduliui (1,6 · 10–19 C), o masė yra apie 1836 kartus didesnė už elektrono masę (mp = 1,67 · 10–27 kg). Neutronas (žymimas n) yra elektros krūvio neturinti elementarioji dalelė. Jos masė 1837 kartus didesnė už elektrono masę (apytiksliai lygi protono masei). Neutralaus atomo branduolio teigiamąjį krūvį kompensuoja neigiamasis elektronų krūvis (protonų skaičius lygus elektronų skaičiui). Atomai, prisijungę elektronų, virsta neigiamaisiais jonais, o jų netekę – teigiamaisiais jonais. Cheminio elemento atomas, kaip žinote iš chemijos kurso, žymimas taip: Masės skaičius Atominis skaičius
A Z
X
Cheminio elemento simbolis
Atòminis skačius Z rodo, kiek elektronų yra neutraliame atome arba kiek protonų – to atomo branduolyje. Skaičius Z yra ir elemento eilės numeris periodinėje sistemoje. Mãsės skačius A rodo, kiek nukleonų yra atomo branduolyje. Masės skaičius lygus protonų skaičiaus Z ir neutronų skaičiaus N sumai:
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
A = Z + N.
6 120
1 pavyzdys. Prisiminkime, ką reiškia simbolis Na . Skaičius 11 rodo, kad natrio atomo branduolyje yra 11 protonų (apvalkale – 11 elektronų). Kadangi masės skaičius lygus 23, tai branduolį sudaro 23 nukleonai. Neutronų natrio atomo branduolyje yra N = 23 – 11 = 12. 23 11
Izotopai Atomai, kurių branduolio krūvis yra toks pat (protonų skaičius vienodas), o masė skirtinga (neutronų skaičius skirtingas), vadinami izotòpais (gr. isos – lygus, vienodas, panašus,
topos – vieta). Dauguma cheminių elementų turi po keletą izotopų. 2 pavyzdys. Gamtoje aptinkami trys vandenilio izotopai, kurie skiriasi neutronų skaičiumi ir turi netgi atskirus pavadinimus (6.2 pav.). Gamtoje daugiausia yra lengvojo vandenilio 11H , vadinamo pročiu (99,9885 %). Sunkusis vandenilis 12H (deuteris) sudaro vos 0,0115 % lengvojo vandenilio. Dar rečiau pasitaiko supersunkiojo vandenilio 13H (tričio): 1018 lengvojo vandenilio atomų tenka vienas tričio atomas.
6.2 pav.
Tai įdomu
*
Atomo matmenis galima vaizdžiai palyginti su mums įprastų daiktų dydžiu. Jei būtų įmanoma vieną atomą padidinti iki smeigtuko galvutės dydžio (1 mm), tai tiek pat kartų padidintas 1,8 m ūgio žmogus būtų 18 000 km ūgio. Jei pasisektų atomus sudėti vieną šalia kito 1 mm ilgio atkarpoje, joje išsitektų net 10 000 000 atomų. Jeigu vandenilio atomo branduolys būtų tokio dydžio kaip aguonos grūdelis, elektronas skrietų už 50 m nuo jo. Iki šiol žinoma apie 20 būdų, kaip nustatyti atomo masę ir atomų skaičių. Visi jie įrodo, kad viename grame vandenilio yra 6,02 · 1023 atomų, kurių vieno masė 1,7 · 10–27 g. Daug vertingų darbų atomo teorijos srityje atliko ir Lietuvõs mokslininkai, tarp jų akademikas Adolfas Jucys (1904–1974) ir jo sukurta fizikų teoretikų mokykla. Ji vaisingai dirba ir dabar.
* *
Užduotys 1. Apibūdinkite planetinį atomo modelį.
6. Remdamiesi periodine elementų lentele, nu-
2. Iš kokių dalelių susideda atomo branduolys?
statykite, kokie tai cheminiai elementai: 50 3 a) 118 50 X ; b) 2 X ; c) 22 X . 7. Kiek elektronų skrieja aplink cinko atomo branduolį? Kiek neutronų yra šiame branduolyje? 8. Kuo skiriasi izotopų 11H ir 12H branduoliai? 9. Parašykite referatą tema „Ką aš sužinojau apie atomo sandarą, mokydamasis įvairių dalykų“.
3. Kaip pagal elemento žymenį ZA X galima
nustatyti, kiek protonų ir kiek neutronų turi elemento atomo branduolys? 4. Kiek ir kokių nukleonų yra šių elementų branduoliuose: 39 56 27 a) 19 K ; b) 13 Fe ? Al ; c) 26 5. Kokio cheminio elemento branduolyje yra:
a) 3 protonai ir 4 neutronai; b) 29 protonai ir 35 neutronai?
6.2. Radioaktyvumas 1986 m. balandžio 26 d. Černòbylio atominėje elektrinėje, esančioje už 130 km į šiaurę nuo Kjevo (Ukranoje), įvyko avarija. Į atmosferą buvo išmesta nepaprastai daug kenksmingų dujų ir dulkių, kurios skleidė jonizuojančiąją spinduliuotę. Apie padidėjusį radioaktyvumą pirmosios
pranešė Skandinãvijos šalių radijo stotys, nes vėjas šias pavojingas medžiagas paskleidė plačioje teritorijoje. Jos atklydo ir į Letuvą. Kas yra tas radioaktyvumas, kurio neįmanoma aptikti be specialių prietaisų? Kodėl jis kenksmingas? Kaip nuo jo apsisaugoti?
Radioaktyvumo atradimas Nemažai fizikinių reiškinių buvo pastebėta visiškai atsitiktinai. Taip atsitiko ir su radioaktyvumu. Prancūzų mokslininkas Anri Bekerelis (Henri Becquerel, 1852–1908) tyrinėjo, ar saulės apšviestos urano druskos neskleidžia rentgeno spinduliuotės. Jis suvyniojo fotografinę plokštelę į storą juodą popierių, ant viršaus pabėrė urano druskos ir plokštelę padėjo prieš saulę. Mokslininkas pastebėjo, kad išryškinta plokštelė pajuodavo tik tose vietose, kur buvo urano druska. Bekerelis spėjo, kad urano druskos spinduliuotę sukėlė saulės šviesa. 1896 m. vasario 26 d. bandymą jis ketino pakartoti, bet buvo debesuota. Todėl supakuotą plokštelę mokslininkas įdėjo į stalčių ir prispaudė variniu kryžiumi, padengtu urano druska. Po keleto dienų pakartojęs suplanuotą bandymą su nauja plokštele, jis išryškino ir tą, kuri gulėjo
stalčiuje. Joje buvo kryžiaus pavidalo dėmė. Bekerelis spėjo, kad urano druska savaime, be išorinių veiksnių įtakos, skleidžia kažkokią nežinomą spinduliuotę, kuri, kaip ir rentgeno spinduliuotė, lengvai pereina neskaidrius kūnus ir veikia fotografinę plokštelę. Netrukus jis nustatė, kad urano druskos spinduliuotė jonizuoja orą – iš neutralių oro molekulių išplėšia elektronus ir paverčia molekules teigiamaisiais jonais. Medžiagos savybė savaime skleisti tokią spinduliuotę buvo pavadinta radioaktyvumù (lot. radio – spinduliuoju). Išbandęs įvairius cheminius urano junginius, Bekerelis nustatė, kad radioaktyvumas būdingas ne junginiams, o cheminiam elementui uranui, jo atomų branduoliams. Vėliau buvo atrasta daugiau šią savybę turinčių medžiagų: polonis, radis, toris ir kt.
121
Jonizuojančiosios spinduliuotės prigimtis Jonizuojančiosios spinduliuotės prigimtį pavyko išaiškinti atliekant tokį bandymą. Švino gabale buvo išgręžtas siauras kanalas, o ant jo dugno padėtas mažytis gabalėlis radioaktyviosios medžiagos. Jos skleidžiami spinduliai iš kanalo ėjo siauru pluoštu ir priešais kanalą pastatytoje fotografinėje plokštelėje (taške A) paliko tamsią dėmę (6.3 pav., a). Tarp dviejų stipriai įelektrintų plokščių pluoštas suskildavo į tris pluoštelius (6.3 pav., b) ir sudarydavo dėmes trijose fotografinės plokštelės vietose: A, B ir C. Pagal šiuos pėdsakus buvo nustatyta, kad elektrinis laukas veikia spinduliuotę nevienodai. Magnetiniame lauke spindulių pluoštas taip pat suskildavo į tris pluoštelius. Minėtas bandymas parodė, kad jonizuojančioji spinduliuotė yra trejopa. Pagal pirmąsias graikų abėcėlės raides ji buvo pavadinta α (alfa), β (beta) ir γ (gama) spinduliuotè.
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
6.3 pav., a
6.4 pav., a
6.4 pav., c
Atlikus detalesnius bandymus, paaiškėjo, kad: • α spinduliuotė yra helio atomų branduolių,
arba α dalelių, srautas (6.4 pav., a); • β spinduliuotė – greitai skriejančių elektronų, arba β dalelių, srautas (6.4 pav., b); • γ spinduliuotė – elektromagnetinės bangos, trumpesnės už rentgeno spinduliuotę (6.4 pav., c). Kadangi α dalelių elektros krūvis yra teigiamas, jų srautas nukrypdavo neigiamai įelektrintos plokštės link, o neigiamą krūvį turinčių elektronų srautas – teigiamai įelektrintos plokštės link. γ spinduliuotės sklidimo krypties elektrinis laukas nepakeisdavo. Drauge buvo nustatyta, kad α, β ir γ spinduliuotės jonizuojantysis poveikis yra nevienodas, todėl pro įvairias medžiagas ji prasiskverbia skirtingai. Mažiausiai skvarbi yra α spinduliuotė, skvarbiausia – γ spinduliuotė (6.5 pav.). α spinduliuotė ore nusklinda vos 20–110 mm, bio-
6 6.3 pav., b
122
6.4 pav., b
6.5 pav.
Tai įdomu
*
Tirdami radioaktyvumą, ypač daug nusipelnė Marija Sklodovska-Kiuri (Marija Skłodowska-Curie, 1867– 1934) su savo vyru Pjeru Kiuri (Pierre Curie, 1859–1906). 1903 m. už radioaktyvumo reiškinio tyrimus sutuoktiniai Kiuri (kartu su Anri Bekereliu) gavo Nobelio premiją. Pagal jų pavardę pavadintas dirbtinis cheminis elementas kiuris. Už metalinio radžio gavimą Marijai SklodovskaiKiuri 1911 m. paskirta antroji Nobelio premija.
*
Įvykus Černòbylio AE avarijai, į atmosferą pateko apie 11 t radioaktyviųjų medžiagų. Jomis užkrėsta apytiksliai 100 000 km2 teritorijos. Pasaulinė sveikatos organizacija nustatė, kad dėl šios katastrofos gretimose valstybėse padaugėjo skydliaukės ir kraujo vėžio, plaučių bei širdies ligų, apsigimimų. Černòbylio AE avarija yra didžiausia katastrofa po atominės bombos sprogi-
*
loginiuose audiniuose – 30–150 mm, aliuminyje – 10–69 mm. Ją sulaiko storas popieriaus lapas. Vidutinės energijos β spinduliuotė ore įveikia keletą metrų, žmogaus kūne – iki 1 cm. Ją sugeria 4–5 mm storio aliuminio plokštelė.
mo Japònijos miestuose Hirosmoje ir Nagasãkyje. Jonizuojančiąją α spinduliuotę skleidžia radonas, plutonis; β spinduliuotę – jodo, stroncio, kalio izotopai. Krūvį ir daug energijos turinčiai kosminei spinduliuotei sąveikaujant su tarpžvaigždinės medžiagos atomais, atsiranda gama spinduliuotė ir kitos dalelės. Tokie procesai nuolat vyksta ir Žemės atmosferoje.
* *
γ spinduliuotė pereina net storą švino plokštelę. Taigi nuo α spinduliuotės gali apsaugoti drabužiai, nuo β spinduliuotės – namų sienos, o nuo γ spinduliuotės – tik storas švino ar kelių metrų storio betono sluoksnis.
Užduotys 1. Paaiškinkite, kaip suprantate medžiagos
5. Kuo skiriasi ir ką bendra turi rentgeno ir
radioaktyvumą. 2. Kas sudaro jonizuojančiąją spinduliuotę? 3. Nusakykite jonizuojančiosios spinduliuotės savybes. 4. Pasvarstykite, kaip būtų galima parodyti, kad α, β ir γ spinduliuotė jonizuoja orą.
gama spinduliuotė? 6. Radžio preparatas skleidžia α, β ir γ spinduliuotę. Dalį jos sulaiko 5 mm storio aliuminio plokštelė. Kuri spinduliuotė plokštelę pereina? 7. Kodėl radioaktyvieji preparatai saugomi storasieniuose švininiuose induose?
6.3. Radioaktyvumas ir branduolių virsmai Su radioaktyvumu susiję reiškiniai Tyrinėjant radioaktyviąsias medžiagas, išryškėjo daug neįprastų dalykų. Radioaktyviųjų elementų spinduliuotės intensyvumas beveik nekisdavo ištisomis paromis, mėnesiais, metais. Jam nedarė jokios įtakos nei šildymas, nei slėgio didinimas.
Tai rodo, kad šis reiškinys yra ypatingas virsmas. Radioaktyvusis preparatas ilgus metus nenutrūkstamai spinduliavo energiją, taigi jis buvo truputį šiltesnis už aplinką. Iš kurgi imama ši energija? Buvo spėjama, kad kinta patys atomai.
123
Branduolių virsmai Tyrimai parodė, kad radioaktyvumo priežastis glūdi atomų branduoliuose. Jie yra nestabilūs ir savaime skyla virsdami kitais branduoliais. Vykstant tokiems branduolių virsmams, išspinduliuojamos įvairios dalelės. Taigi radioaktyvùmas yra savaiminis atomų branduolių virsmas
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
mos įvairios dalelės ir elektromagnetinė spinduliuotė. 1 pavyzdys. Radžio 226 88 Ra atomo branduolyje yra 88 protonai ir 138 neutronai (226 – 88 = 138). Šis branduolys nestabilus ir skildamas išspinduliuoja α dalelę (24He). Dėl to pats virsta atomo branduoliu, turinčiu dviem protonais ir dviem neutronais mažiau. Naujas elementas vadinamas radonu ir žymimas 222 86 Rn. Jo atomas taip pat radioaktyvus. Radžio išspinduliuota α dalelė prisijungia iš aplinkos du elektronus ir virsta neutraliu helio atomu. Kartu su α dalele radžio branduolys išspinduliuoja γ spinduliuotę. Šie virsmai schemiškai pavaizduoti 6.6 paveiksle. Juos taip pat galima užrašyti simboliais: 222 4 226 86 Rn + 2He + γ. 88 Ra
6 124
6.6 pav.
6.7 pav.
2 pavyzdys. Torio 234 90 Th atomo branduolyje yra 90 protonų ir 144 neutronai (234 – 90 = 144). Branduolys nestabilus. Išspinduliavęs β dalelę (elektroną –10e), jis virsta nauju branduoliu. Nuostabu, kad išmesta β dalelė nėra branduolio dalis. Įrodyta, kad šis elektronas nepriklauso ir atomo apvalkalui. Jis susidaro tik vykstant radioaktyviajam skilimui – pakintant neutronų ir protonų skaičiui. Neutronui virstant protonu, atsiranda elektronas, kuris išspinduliuojamas kaip β dalelė, ir susidaro naujas atomo branduolys. Jame yra vienu neutronu mažiau ir vienu protonu daugiau negu torio atomo branduolyje. Masės skaičius, t. y. bendras nukleonų skaičius, nepakinta. Naujasis elementas vadinamas protaktiniu, jo simbolis 234 91 Pa. Torio virsmas protaktiniu schemiškai pavaizduotas 6.7 paveiksle. Jį galima užrašyti simboliais: 234 0 234 91 Pa + –1e. 90 Th Daugelis tyrimų leidžia tvirtinti, kad gamtoje randama dviejų rūšių radioaktyviųjų atomų: vieni jų spinduliuoja α daleles (helio atomų branduolius) ir γ spinduliuotę (trumpas elektromagnetines bangas), kiti – β daleles (elektronus). Jei vienu metu iš medžiagos išspinduliuojamos α ir β dalelės bei γ spinduliuotė, vadinasi, toje medžiagoje yra įvairiai spinduliuojančių atomų.
Spinduliuotės stebėjimo prietaisai Jonizuojančiajai spinduliuotei stebėti yra sukurta nemažai įvairių prietaisų. Daugelio jų veikimas pagrįstas dalelių ir gama spinduliuotės jonizuojančiuoju bei fotocheminiu poveikiu.
Gegerio ir Miùlerio skaitklis. Šį 1928 m. sukonstruotą prietaisą (6.8 pav., a) sudaro metalinis plonomis sienelėmis ar iš vidaus metalizuotas stiklinis vamzdelis (katodas). Jo viduje išilgai
6.8 pav., a
6.8 pav., b
ašies ištemptas plonas metalinis siūlas (anodas). Vamzdelis pripildytas vandenilio, helio, argono ar kitų dujų. Tarp vamzdelio vidinio paviršiaus ir metalinio siūlo (t. y. tarp katodo ir anodo) įjungiamas aukštosios įtampos srovės šaltinis stipriam elektriniam laukui sukurti (6.8 pav., b). Į skaitiklį patekusi elektringoji dalelė, pavyzdžiui, elektronas, jonizuoja dujas. Atsiradę teigia-
6.9 pav., a
mieji jonai juda katodo link, o elektronai – anodo link. Taigi atsiranda trumpalaikė elektros srovė (srovės impulsas), kuri sustiprinama ir perduodama į specialų skaičiavimo įtaisą. Tokiu būdu galima tiksliai užregistruoti į skaitiklį patenkančias daleles, kurios gali jonizuoti dujas. Vlsono kãmera. Prietaisas naudojamas elektringųjų dalelių pėdsakams stebėti ir fotografuoti (6.9 pav., a). Tai – hermetiškas indas, pripildytas sočiųjų vandens ar alkoholio garų. Kameros tūrį galima keisti stūmokliu (6.9 pav., b). Stūmoklį staiga patraukus į dešinę, kameros tūris padidėja, o garų slėgis ir temperatūra sumažėja. Garai atvėsta ir pasidaro persotintieji. Jeigu tuo metu į kamerą patenka elektringoji dalelė, tai ji jonizuoja kameroje esančių garų atomus (molekules). Atsiradę jonai tampa kondensacijos centrais, ir dalelės kelyje atsiranda smulkučių rūko lašelių ruožas – pėdsakas. Jį galima stebėti ir fotografuoti.
6.9 pav., b
125
Tai įdomu
*
Radioaktyviosios medžiagos branduolių aktyvumas SI sistemoje matuojamas bekereliais (žymima Bq). Kai per 1 s suskyla vienas branduolys, medžiagos aktyvumas lygus 1 Bq. Radioaktyvioji medžiaga
*
Medžiagos aktyvumą dar galima reikšti kiuriais (žymima Ci): 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq. Tokios pat masės skirtingų radioaktyviųjų medžiagų aktyvumas yra nevienodas:
*
Jos aktyvumas
1 g radžio (Ra)
37 000 000 000 Bq = 1 Ci Per 1 s suskyla 37 milijardai atomų branduolių.
1 g urano (U)
12 000 Bq Per 1 s suskyla 12 000 atomų branduolių.
1 g natūralaus kalio (K)
28 Bq Per 1 s suskyla 28 atomų branduoliai.
Dalelių pėdsakai Vilsono kameroje teikia daugiau informacijos negu skaitikliai. Pagal pėdsakų pobūdį galima apskaičiuoti dalelių masę, energiją, greitį ir kt. Branduolnės fotoemùlsijos. Greitos elektringosios dalelės, patekusios į storą fotoemulsijos
*
Vienų radioaktyviųjų medžiagų virsmai vyksta labai lėtai, kitų – labai greitai. Laiko tarpas, per kurį radioaktyviosios medžiagos aktyvumas sumažėja perpus, vadinamas tos medžiagos pusėjimo trukme. Per šį laiką suskyla pusė radioaktyviosios medžiagos atomų. Kuo mažesnė pusėjimo trukmė, tuo daugiau atomų suskyla per vienetinį laiką. Pavyzdžiui, urano 238 92 U pusėjimo trukmė yra 4,5 milijardo metų, radžio 226 88Ra – 1600 metų, radono 222 86Ra – 4 paros. Anglų fizikui Čarlzui Vilsonui (Charles Wilson, 1869–1959) už Vilsono kameros išradimą 1927 m. paskirta Nobelio premija.
*
sluoksnį, išplėšia elektronus iš atskirų emulsiją sudarančių atomų ir palieka paslėptą pėdsaką. Ryškinant iš jo atkuriama dalelės trajektorija. Iš jos ilgio bei storio galima nustatyti dalelės masę ir energiją. Pėdsakai paprastai būna labai trumpi, nes fotoemulsijos tankis didelis.
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
Užduotys
6 126
1. Paaiškinkite, kokia yra medžiagų radioakty-
4. Kokiu fizikiniu procesu pagrįstas Geigerio ir
vumo priežastis. 238 2. Urano izotopas 92 U yra nestabilus. Jis skyla išspinduliuodamas α dalelę. Nustatykite, koks elementas susidaro urano skilimo metu. Parašykite šio virsmo lygtį. 3. Radioaktyvusis anglies izotopas 14? C skleidžia β spinduliuotę ir virsta azotu. Nurodykite azoto atominį skaičių ir masės skaičių. Parašykite atitinkamą virsmo lygtį.
Miulerio skaitiklio, Vilsono kameros veikimas? 5. Kuris iš spinduliuotės stebėjimo prietaisų teikia daugiau informacijos? Atsakymą pagrįskite. 6. Kaip vadinamas cheminis elementas, kurio branduolys susideda iš: a) 8 protonų ir 8 neutronų; b) 92 protonų ir 146 neutronų? 7. Apskaičiuokite visų alavo atomo elektronų krūvį.
6.4. Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis gyvajam organizmui Jonizuojančiosios spinduliuotės šaltiniai Žmoniją visą jos gyvavimo laikotarpį veikia jonizuojančioji spinduliuotė. Ją skleidžia gamtiniai ir dirbtiniai šaltiniai. Daugiausia spinduliuotės Žemės gyventojai gauna iš gamtos. Tokios spinduliuotės išvengti beveik neįmanoma. Gamtiniai šaltiniai gali būti žemiškos arba kosminės kilmės. Žemės jonizuojančioji spinduliuotė susidaro dėl daugelio radioaktyviųjų izotopų, esančių jos uolienose, vandenyse ir atmosferoje (radono 222 86 Rn , 238 40 234 torio 90Th, kalio 19K, urano 92U ir kt.). Šią spinduliuotę taip pat skleidžia augalai, gyvūnai ir pats žmogus. Spinduliuotę, pasiekiančią mus iš kosmoso, sudaro didelės energijos protonai ir helio atomų branduoliai. Jie atkeliauja daugiausia iš Saulės. Gamtinė jonizuojančioji spinduliuotė žmogų gali apšvitinti dvejopai: iš išorės (kai radioaktyviosios medžiagos veikia kūno paviršių) ir iš vidaus (kai jos su maistu, vandeniu, užterštu oru patenka į organizmą). Dirbtinius šaltinius sukūrė žmogus, siekdamas naudos. Prie jų priskiriami pramonės objektai (atominės ir šiluminės elektrinės), pastatai (kai kuriose statybinėse medžiagose yra radono, jis kaupiasi uždarose, blogai vėdinamose patalpose), įvairūs elektromagnetiniai laukai, buitiniai prietaisai (televizoriai, kompiuteriai ir pan.), medicininiai įrenginiai (rentgenologinės diagnostikos aparatai), ginkluotės bandymai ir t. t.
Jonizuojančiosios spinduliuotės žalingas poveikis Jonizuojančiąją spinduliuotę mūsų aplinka skleidžia nuolat. Tačiau jos intensyvumas labai mažas ir gyvieji organizmai yra prie jo prisitaikę. Labai jautrius vidaus organus iš dalies saugo oda.
6.10 pav.
Vis dėlto kai atmosferoje bandomi branduoliniai užtaisai, įvyksta avarijos atominėse elektrinėse, vykdomi kai kurie medicininiai tyrimai, aplinkos radioaktyvumas gali labai padidėti ir pakenkti žmonių sveikatai. Radioaktyviosios medžiagos pasidaro ypač pavojingos, kai patenka į organizmą su maistu ir oru. Jos gali jonizuoti ląstelių molekules ir atomus, nutraukti jų ryšius. Dėl to ląstelėse prasideda įvairūs cheminiai ir biocheminiai vyksmai, kurie jas pažeidžia arba naikina (6.10 pav.). Ypač sparčiai pažeidžiamos tos ląstelės, kurios greitai dalijasi. Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikį galima apibūdinti tokia schema: Žmogaus kūno ląstelių sugerta jonizuojančioji spinduliuotė
Ląstelių pokyčiai dėl molekulių ir atomų jonizacijos
Kūno ląstelių pokyčiai
Vėžinės ligos: • leukemija (kraujo vėžys) • plaučių vėžys • krūties vėžys
Spindulinė liga: • kraujo kūnelių pažeidimai • odos paraudimas • vėmimas • viduriavimas • plaukų slinkimas
Spindulinė mirtis: infekcijos, dėl kurių sutrinka organizmo apsauginės funkcijos
Gemalinių ląstelių pokyčiai
Apsigimimai
127
Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis žmogaus organizmui priklauso nuo: • spinduliuotės rūšies ir intensyvumo; • spinduliavimo trukmės; • organizmo jautrumo. Organizmą iš išorės veikianti α spinduliuotė mažai pavojinga – nuo jos saugo oda. Tačiau, patekusi į organizmo vidų pro kvėpavimo takus, burną ar sužeistą odą, ji labai kenkia, nes mažame tūryje sukuria daug jonų. Šiuo požiūriu pavojingiausios medžiagos yra radis ir polonis. Radis kaupiasi kauluose, todėl sutrinka baltųjų
ir raudonųjų kraujo kūnelių gamyba. Žmogus suserga mažakraujyste. β spinduliuotė prasiskverbia per suragėjusį odos sluoksnį į gyvus audinius ir gali smarkiai nudeginti odą. Ši pasidaro sausa, o nagai – trapūs. Spinduliuotė kartais sukelia net odos vėžį. Jai labai jautrios akys. γ spinduliuotė labai skvarbi, todėl gali paveikti giliai organizme esančius audinius, pakeisti kraujo sudėtį, sukelti mažakraujystę, kataraktą (akies lęšiuko drumstį), viduriavimą ir kt.
Jonizuojančiosios spinduliuotės nauda Tačiau jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis ne visada yra žalingas. Ja medicinoje diagnozuojamos ir gydomos įvairios ligos. Antai nedideliais radioaktyviojo natrio kiekiais tiriama kraujo apytaka, radioaktyviojo jodo preparatais diagnozuojama Bazedovo liga (skydliaukės veiklos sutrikimas). Kadangi greitai besidalijančias ląsteles (pavyzdžiui, vėžio) ši spinduliuotė ardo sparčiau, ja švitinami piktybiniai augliai (taikoma spindulių terapija, 6.11 paveiksle pavaizduotas chemoterapijos kabinetas). Taip sustabdomas jų plėtimasis. Ląsteles ardanti spinduliuotė naudojama ir bakterijoms, virusams bei kitiems ligų sukėlėjams naikinti sterilizuojant chirurginius įrankius ir medžiagas.
6.11 pav.
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
Tai įdomu
6 128
*
Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikį gyviesiems organizmams apibūdina sugertoji spinduliuotės dozė, t. y. sugerta spinduliuotės energija, tenkanti 1 kg kūno masės. Jos matavimo vienetas SI sistemoje yra grėjus (žymimas Gy): 1 Gy = 1 J/kg. Spinduliuotės dozė tik kiekybiškai nusako sugertą
*
spinduliuotės energiją. Jos poveikis priklauso ir nuo spinduliuotės rūšies. Pavyzdžiui, tokia pat į organizmą prasiskverbusios α spinduliuotės dozė yra 20 kartų pavojingesnė negu β ir γ spinduliuotės (6.12 pav.). Per viešą paskaitą Anri Bekereliui prireikė radioaktyviųjų medžiagų. Iš Pjero ir Marijos Kiuri šeimos
*
gautą mėgintuvėlį su šiomis medžiagomis mokslininkas įsidėjo į liemenės kišenę. Kitą dieną ant savo kūno ties ta vieta, kur buvo liemenės kišenė, jis pastebėjo mėgintuvėlio pavidalo raudoną dėmę. Apie atsitikimą Bekerelis papasakojo Kiuri, o šis atliko bandymą su savimi – prie savo rankos dilbio pririšo
6.12 pav.
mėgintuvėlį su radioaktyviuoju preparatu ir panešiojo jį dešimt valandų. Rankos oda paraudo, vėliau atsivėrė gili žaizda, kuri užgijo tik po dviejų mėnesių. Bene svarbiausias jonizuojančiosios spinduliuotės šaltinis yra radonas – bespalvės, bekvapės,
*
beskonės, sunkesnės už orą dujos. Jos sklinda iš Žemės plutos. Į kambarius radonas gali patekti per pamatus ir grindis, išsiskirti iš statybinių namo medžiagų, vandens, degant gamtinėms dujoms. Daugiausia apšvitos iš radono žmogus gauna
Pramonėje ta spinduliuote tiriama metalo liejinių sandara – nustatoma, ar juose nėra defektų. Žemės ūkyje švitinimu paspartinamas augalų ir gyvulių augimas, gerinama jų kokybė: apšvitintos sėklos greičiau sudygsta, vynuogės sukaupia
būdamas uždarose, blogai vėdinamose patalpose. Nustatyta, kad vidutinio klimato zonoje radono kiekis uždarose patalpose yra vidutiniškai 8 kartus didesnis negu lauke. Natūraliai vėdinant patalpas, radono koncentracija sumažėja 70–80 %.
daugiau cukraus ir pan. Archeologams jonizuojančioji spinduliuotė padeda apskaičiuoti senovinių organinės kilmės radinių (pavyzdžiui, Egipto mumijų) amžių.
Užduotys 1. Kokius žinote gamtinius ir dirbtinius joni-
zuojančiosios spinduliuotės šaltinius? 2. Nurodykite, kokiais dviem būdais jie gali apšvitinti žmones ir gyvūnus. 3. Dėl kokios savo savybės jonizuojančioji spinduliuotė yra labai kenksminga gyviesiems organizmams? 4. Kaip pasireiškia kenksmingas juonizuojančiosios spinduliuotės poveikis?
5. α spinduliuotę sulaiko popieriaus lapas,
tačiau ji yra pavojingesnė už γ spinduliuotę, kuri prasiskverbia net pro storą švino sluoksnį. Paaiškinkite šį teiginį. 6. Nuo ko priklauso jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis žmogaus organizmui? 7. Atsižvelgdami į jonizuojančiosios spinduliuotės savybes ir poveikį, suformuluokite keletą taisyklių, kurių reikėtų laikytis norint apsisaugoti nuo šios spinduliuotės.
129
6.5. Branduolinė energija Branduolinės reakcijos samprata Atradus radioaktyvumą, jau apie 1900 m. buvo mėginama dirbtinai paversti vienų atomų branduolius kitų atomų branduoliais, apšaudant tinkamomis dalelėmis. Pirmą dirbtinį branduolių virsmą 1919 m. sukėlė Ernestas Rezerfordas, apšaudydamas azoto dujas α dalelėmis ( 42He). Tokiu būdu jis pavertė azotą deguonimi. Šio virsmo metu kartu su deguonies atomo branduoliu buvo išspinduliuotas protonas (žymimas 11p). Atomų branduolių, kurie sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis arba tarp savęs, virsmai vadinami branduolnėmis reãkcijomis. Rezerfordo sukeltą branduolinę reakciją galime užrašyti simboliais: 17 4 14 1 (1) 8O + 1p. 7N + 2He
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
Pirminiai branduoliai
6 130
išmetami 2–3 neutronai. Šis reiškinys buvo pavadintas bránduolio daljimusi. 6.13 paveiksle schemiškai pavaizduotas urano branduolio dalijimasis: neutronas, pataikęs į urano 235 92 U branduolį, 144 Sr padalija jį į stroncio 90 ir ksenono 54Xe bran38 duolius, be to, dar išlekia du nauji neutronai. Taigi bendras protonų ir neutronų skaičius, vykstant skilimui, nepakinta. Reakcijos lygtis tokia: 1 90 144 1 235 38Sr + 54Xe + 2 0n 92 U + 0n
Antriniai branduoliai
Panašiomis reakcijomis galima iš branduolių išmušti neutronus (žymimus 01n), pavyzdžiui, berilio branduolys, apšaudomas α dalelėmis, virsta anglies branduoliu ir dar išspinduliuojamas neutronas: 12 9 4 1 (2) 6C + 0n . 4Be + 2He Bendras protonų ir neutronų skaičius, vykstant branduolinei reakcijai, nepakinta: pirminių branduolių atominių skaičių (taip pat ir masės skaičių) suma lygi antrinių branduolių atominių skaičių (masės skaičių) sumai. Antai pirmosios reakcijos 7 + 2 = 8 + 1 ir 14 + 4 = 17 + 1, antrosios reakcijos 4 + 2 = 6 + 0 ir 9 + 4 = 12 + + 1.
6.13 pav.
Dalijantis branduoliams, išsiskiria milžiniškas kiekis energijos, vadinamos branduolinè enèrgija. Iš kur ji randasi? Bandymai rodo, kad nejudančių antrinių branduolių masė (rimties masė) yra mažesnė už pirminių branduolių rimties masę. Vadinasi, išsiskyrusi energija susijusi su rimties masės pokyčiu. XX a. pradžioje garsus fizikas Albertas Einšteinas nustatė tokį masės ir energijos sąryšį: E = mc2.
Branduolių dalijimasis Vokiečių mokslininkai Otas Hanas (Otto Hahn, 1879–1968) ir Fricas Štrasmanas (Fritz Strassman, 1902–1980) 1938 m. pastebėjo, kad, apšaudomi lėtaisiais neutronais, urano branduoliai skyla į dvi apylyges dalis – branduolio skeveldras, be to, dar
Šią formulę galima užrašyti ir kitaip: Δm = ΔE . c2 Keičiant kūno vidinę energiją, pavyzdžiui, kūną šildant, medžiagai dalyvaujant cheminėse arba branduolinėse reakcijose, kinta medžiagos masė. Einšteino formulėje šviesos greičio c
kvadratas yra labai didelis, o santykis c12 – labai mažas dydis, todėl su mažais reakcijoje dalyvaujančių elementų masės pokyčiais Δm susiję dideli energijos pokyčiai ΔE: ΔE 2 Δm = c .
Pavyzdys. Dalijantis 1 kg masės urano gabalui, susidaro medžiagos, kurių rimties masė lygi 999 g. Masė sumažėja 1 g, nes išspinduliuojama energija („išnešama“ masė). Šios reakcijos metu energijos išsiskiria tiek pat, kiek sudegant 2 mln. litrų naftos arba 2500 t anglių.
Grandininė branduolinė reakcija Iš besidalijančio urano branduolio ar jo skeveldrų išlėkę neutronai (antriniai neutronai) gali sukelti vis naujų branduolių dalijimąsi (6.14 pav.). Tokia savaime stiprėjanti reakcija vadinama grandnine branduolinè reãkcija. Reakciją sukeliančios dalelės (neutronai) yra jos pačios produktai. Jei grandininė branduolinė reakcija sužadinama tam tikros (kritinės masės) ar didesnės masės
urano ar plutonio gabale, staiga išsiskiria milžiniška energija – įvyksta branduolinis sprogimas. Tokiu pat principu sprogsta atominės bombos. Tačiau grandininę reakciją gali sukelti ne bet kokie branduoliai. Iš visų gamtoje egzistuojančių elementų branduolių tinka tik urano 235 92 U ir 239 plutonio 94Pu izotopų branduoliai.
6.14 pav.
Branduolinis reaktorius Norint panaudoti branduolinę energiją (branduolių dalijimosi energiją) ūkio tikslams, reikia ne tik sukelti grandininę reakciją, bet ir ją valdyti – pagreitinti arba sulėtinti. Tai daroma įrenginiuose, vadinamuose branduolniais reãktoriais (6.15 pav.). Jų konstrukcija gali būti įvairi, tačiau pagrindinės dalys yra tos pačios: • branduolinis kuras – medžiagų, kuriose yra 238 galinčių dalytis 235 92 U ir nesidalijančių 92 U branduolių, mišinys (branduolinio kuro strypai įdedami į siaurus nerūdijančio plieno vamzdelius);
6.15 pav.
131
6.16 pav.
Radioaktyvumas ir branduolinė energija
• neutronų lėtiklis – sunkusis arba paprastas vanduo, grafitas; jo reikia branduolių dalijimosi metu atsirandantiems greitiesiems neutronams lėtinti, kad jie galėtų skaldyti uraną 235 92 U; • neutronų atšvaitas, aplink branduolinio kuro strypus įtaisytas įrenginys (dažniausiai grafito plokštės), trukdantis neutronams išlėkti iš reaktoriaus; • reakcijos greičio reguliatorius – neutronus sugeriantys kadmio arba boro strypai (ištraukiant arba giliau įleidžiant šiuos strypus, galima reguliuoti dalijimosi reakcijų skaičių). Veikiančiame branduoliniame reaktoriuje išsiskiria labai daug radioaktyviųjų medžiagų. Kad jos nepatektų į aplinką, reaktorius apgau-
6 132
biamas storu (iki 3 m storio) betoniniu apsauginiu apvalkalu. Branduoliniai reaktoriai įrengiami povandeniniuose atominiuose laivuose, taip pat atominėse elektrinėse, kurios branduolinę energiją verčia elektros energija. Tokia elektrinė 1983–2009 m. veikė ir Lietuvojè (Ignalnoje). Atominės elektrinės principinė schema parodyta 6.16 paveiksle. Branduoliniame reaktoriuje vyksta grandininės branduolinės reakcijos. Jų metu išsiskyrusi energija virsta šilumine energija, kuri kaitina vėsinimo sistemos vandenį – šilumnešį. Jis perduoda šilumą kito kontūro vandeniui, kuris, pavirtęs garais, suka garo turbiną, o ši – elektros generatorių. Atvėsę garai iš turbinos patenka į
Tai įdomu
*
Dalijantis urano branduoliams, išsiskiria 3 milijonus kartų daugiau energijos negu sudegant tokiai pat masei akmens anglių. Antai iš 1 kg urano gaunama 25 mln. kWh energijos, o iš 1 kg akmens anglių – tik 8 kWh.
*
Kritine mase vadinama mažiausia skylančios radioaktyviosios medžiagos masė, kuriai esant dar gali vykti grandininė dalijimosi reakcija. Pirmąją grandininę urano dalijimosi reakciją 1942 m. įvykdė JAV mokslininkų grupė, vadovaujama Enri-
*
ko Fermio (Enriko Fermi, 1901–1954). Šis fizikas prisidėjo ir prie pirmosios atominės bombos kūrimo. Pirmoji atominė bomba buvo susprogdinta 1945 m. JAV dykumoje esančiame Alamagordo raketų poligone.
*
kondensatorių. Čia jie kondensuojasi ir siurbliu pumpuojami atgal į katilą. Vanduo garams kondensatoriuje aušinti imamas iš upės ar ežero šalia elektrinės. Atominės elektrinės, kaip hidroelektrinės ar šiluminės elektrinės, turi privalumų ir trūkumų. Atominės elektrinės yra ekonomiškos, nesukelia šiltnamio efekto, išskiria į aplinką daug mažiau
CO2 dujų negu šiluminės elektrinės, neteršia aplinkos pelenais, gamina pigią elektros energiją, turi milžiniškas branduolinio kuro atsargas. Antra vertus, jos kelia pavojų, nes, įvykus avarijai, į aplinką gali patekti labai kenksmingų radioaktyviųjų medžiagų, branduolinio kuro atliekos yra pavojingos, jas sudėtinga transportuoti, saugoti ir perdirbti.
Užduotys 1. Apibūdinkite vyksmus, vadinamus
branduolinėmis reakcijomis. 2. Persirašykite branduolinių reakcijų lygtis, vietoj klaustukų įrašydami tinkamus simbolius: a) 24He + 49Be 126C + ?; 27 30 Al + ? 15 P + 01n ; b) 13 22 c) ? + 11H = 11 Na + 24He. 3. Iš kur atsiranda energija, išsiskirianti dalijan-
tis branduoliams? 4. Išvardykite 3–4 elementų poras, kuriomis dalydamasis gali virsti 235 92 U branduolys. Atsakymą pagrįskite.
5. Kuo skiriasi urano branduolių dalijima-
6. 7. 8.
9.
sis branduoliniame reaktoriuje ir atominėje bomboje? Kam branduoliniame reaktoriuje reikalingas vanduo? Išvardykite svarbiausias atominės elektrinės dalis. Paaiškinkite, kaip jos veikia. Palyginkite energijos virsmus atominėje elektrinėje ir šiluminėje elektrinėje. Kuo jie panašūs ir kuo skiriasi? Kodėl radioaktyviųjų atliekų negalima deginti arba mesti į šiukšlių konteinerius kaip buitinių atliekų?
133
Skyriaus „Radioaktyvumas ir branduolinė energija“ santrauka
Atomo sandara
Atomas
Branduolys (teigiamas)
Nukleonai
Neutronas (neutralus)
Elektronai (neigiami) e = 1,6 · 1019 C me = 9,1 · 1031 kg
Protonas (teigiamas)
Cheminio elemento atomo žymėjimas A ZX
X – cheminio elemento simbolis; Z – atominis skaičius, arba elemento eilės numeris; jis rodo, kiek elektronų yra neutraliame atome arba kiek protonų – atomo branduolyje; A – masės skaičius, rodantis, kiek nukleonų yra branduolyje: A = Z + N (N – neutronų skaičius).
Radioaktyvumas
Radioaktyvumu vadinamas savaiminis medžiagų atomų branduolių virsmas kitais branduoliais, kurio metu skleidžiamos įvairios dalelės ir elektromagnetinė spinduliuotė.
α spinduliuotė
β spinduliuotė
γ spinduliuotė
Helio atomų branduoliai 4 2He
Elektronai 0 –1e
Trumpesnės už rentgeno spinduliuotę elektromagnetinės bangos Skvarba ore
Iki 10 cm
Keletas metrų
Labai daug metrų
Radioaktyvumas ir ir branduolinė branduolinė energija energija
Apsauga nuo spinduliuotės
6 134
Popieriaus lapas, drabužiai
Aliuminio plokštelė, namų sienos
Storas švino sluoksnis, kelių metrų storio betono sluoksnis
Jonizuojančiosios spinduliuotės stebėjimo prietaisai: • Geigerio ir Miulerio skaitiklis, • Vilsono kamera, • branduolinės fotoemulsijos. Branduolinės reakcijos
Atomų branduolių, kurie sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis arba tarp savęs, virsmai vadinami branduolinėmis reakcijomis. Savaime stiprėjanti branduolių dalijimosi reakcija, kurią palaiko jos pačios produktai, vadinama grandinine branduoline reakcija.
Branduolinis reaktorius
Branduoliniu reaktoriumi vadinamas įrenginys, kuriame vyksta valdoma grandininė branduolinė reakcija.
Savikontrolės užduotys 1. Iš ko sudaryti elementų duoliai?
Ni ir 49Be bran-
60 28
2. Kuo panašūs anglies izotopas izotopas 147N?
13 6
C ir azoto
3. Kokio cheminio elemento atomo branduolyje yra 12 protonų ir 14 neutronų? Kiek elektronų skrieja apie neutralų šio elemento atomą? 4. Kuri spinduliuotė turi daugiau energijos: gama ar rentgeno? Atsakymą pagrįskite. 5. Kurios spinduliuotės jonizuojantysis poveikis yra stipriausias? A B C D
γ spinduliuotės β spinduliuotės α spinduliuotės Visų vienodas
6. Kuris iš šių teiginių tiksliausiai apibūdina medžiagų radioaktyvumą? A Radioaktyvumu vadinama kiekvienai medžiagai būdinga savybė skleisti jonizuojančiąją spinduliuotę. B Radioaktyvumu vadinama kai kurioms medžiagoms būdinga savybė tam tikromis sąlygomis skleisti jonizuojančiąją spinduliuotę. C Radioaktyvumu vadinamas medžiagų atomų branduolių virsmas kitais branduoliais.
D Radioaktyvumu vadinamas savaiminis medžiagų atomų branduolių virsmas kitais branduoliais, kurio metu skleidžiamos įvairios dalelės ir elektromagnetinė spinduliuotė. 7. Polonio izotopas 218 84Po yra nestabilus. Jis skyla išspinduliuodamas α dalelę. a) Nurodykite, kiek protonų ir neutronų yra polonio izotopo 218 84Po branduolyje. b) Nustatykite, koks elementas susidaro polonio skilimo metu. c) Parašykite šio virsmo lygtį. 8. Radioaktyvusis švino izotopas 209?Pb skleidžia β spinduliuotę ir virsta bismutu. a) Kiek protonų ir kiek neutronų sudaro švino izotopo branduolį? b) Nurodykite bismuto atominį skaičių ir masės skaičių. Kuo skiriasi švino ir bismuto izotopų branduoliai? c) Parašykite atitinkamą virsmo lygtį. 9. Kuri iš šių reakcijų yra branduolių dalijimosi reakcija? 22 256 1 A 238 92U + 10Ne 102No + 4 0n 1 1 89 144 B 235 92U + 0n 56Ba + 36Kr + 3 0n 0 234 C 238 99Np 94Pu + –1n D 49Be + 24He 126C + 01n
135
Fizikos mokomąjį komplektą X klasei sudaro: Vadovėlis Pratybų sąsiuviniai Pirmasis sąsiuvinis Antrasis sąsiuvinis
10
10
ISBN 978-5-430-05655-1