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 page 1 / 8
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 10 35 V chemii a biochemii je proton označení pro iont vodíku. c) Neutron: Značení: i) n 0 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. page 2 / 8
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 12 6C 16 8O 20 10Ne 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 bizmutu 209 83Bi. 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: 3 2 He (izotop lehkého helia) + n 0 3 1 He (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. 3 1 He je radioaktivní s poločasem rozpadu 12 let. Rozpadá se na 3 2He, 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. page 3 / 8
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 UO 2 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). page 4 / 8
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 (D 2 O). 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 CO 2 (sekundárním chladivem je stále voda). CO 2 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 page 5 / 8
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 10 35 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). page 6 / 8
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. page 7 / 8
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) Atomové jádro, jaderné reakce a reaktory, radioaktivita - maturitní otázka z chemie 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 Více studijních materiálů na Studijni-svet.cz. Navštivte také náš e-shop: Obchod.Studijni-svet.cz. page 8 / 8