Въпроси

1. Защо при деленето на урана се освобождава енергия?

Отговор...

Специфичната енергия на връзката за ядрото на урана и другите тежки елементи е по-малка, отколкото за ядрата на елементите от средата на таблицата на Менделеев, които се получават при деленето на тежките ядра. Ето защо при делене на тежко ядро сумата от дефектите на масата  на двете получени след деленето ядра е по-голям, отколкото преди него и според формулата на Айнщайн се освобождава енергия

2. Колко неутрона се отделят при следната реакция на делене на

Отговор...

Броят на освободените неутрони се определя, като се изравни броят на нуклоните (т.е. сумата от броя на протоните и неутроните) преди реакцията с броят им след реакцията. Преди реакцията броят на нуклоните е 1 + 235 = 236. Вижда се, че тъй като броят на нуклоните в ядрата на ксенона и стронция е 140 + 94 = 134, при разпадането на ядрото на урана трябва да се освободят 2 неутрона (освободените частици не могат да бъдат протони, защото това би нарушило закона за запазване на електричния заряд: 0 + 92 = 54 + 38).

3. При какви условия е възможно да възникне верижно деление на урана?

Отговор...

За да протече верижна ядрена реакция, е необходимо броят на неутроните, които за единица време предизвикват деления на ядра, да не бъде по-малък от броя на деленията, при които са били освободени.

4. Какви са приликите и  разликите между атомната бомба и ядрения реактор?

Отговор...

И в ядрения реактор, и в атомната бомба протича верижна ядрена реакция. Разликата е, че в реактора скоростта на реакцията се управлява, като контролирана част от освобождаваните неутрони се поглъщат в подходящи вещества, без да предизвикват нови деления, а в бомбата реакцията е неуправляема и протича взривообразно.

5. Какви екологични проблеми, свързани с използването на АЕЦ, можете да посочите?

Отговор...

Екологичните проблеми при нормална работа на ядрените електроцентрали са свързани с пазенето и преработването на отработеното гориво, както и с пазенето на радиоактивните отпадъци, т.е. на всички материали, които са станали радиоактивни по време на експлоатация на реакторите.

6. Как се обяснява фактът, че енергия може да се осво­боди и при деление, и при сливане на атомни ядра?

Отговор...

Фактът, че енергия се освобождава и при делене, и при сливане на ядра може да се разбере, като се отчете, че става дума за делене на тежки ядра и за сливане на леки ядра. Причината за освобождаване на енергия при тези реакции е, че специфичната енергия на връзката и в леките ядра, и в тежките ядра е по-малка, отколкото специфичната енергия на връзката на ядрата, които се получават в резултат от съответната реакция.

7. Кои реакции наричаме термоядрени?

Отговор...

Термоядрени се наричат онези ядрени реакции на сливане на леки ядра, при които кулоновото отблъскване между ядрата се преодолява за сметка на тяхната голяма кинетична енергия, дължаща се на високата температура.

8. Кои са условията, които позволяват в недрата на звездите да протича термоядрен синтез?

Отговор...

Условията, които позволяват в недрата на звездите да протича термоядрен синтез, са високата температура и наличието на протони (ядра на йонизирани водородни атоми).

9. Кое пречи на осъществяването на управляем термоядрен синтез?

Отговор...

На осъществяването на управляем синтез пречат трудностите, свързани с необходимостта плътен йонизиран газ от деутерий да се задържи достатъчно дълго при температура стотици милиони градуси.

10. Какви са достойнствата и недостатъците на различните начини за получаване на енергия: чрез изгаряне на органични горива, деление на ядра и ядрен синтез?

Отговор...

Получаването на енергия за сметка на изгаряне на горива не изисква скъпи съоръжения, но замърсява околната среда с отпадъците от горенето и изхвърля в атмосферата огромно количество газове, предизвикващи парников ефект, киселинни дъждове и др. Освен това количеството на горивата е ограничено и добиването им е все по-скъпо.
Използването на енергията, получена при делене на тежки ядра, не замърсява околната среда, но все още нямат окончателно решение проблемите с пазенето на радиоактивните отпадъци. Тези проблеми, както и притесненията на обществата в някои държави от известни минимални рискове от аварии в ядрените електроцентрали не позволяват бърз растеж на ядрената енергетика
Енергията, получена при термоядрен синтез, има две огромни предимства: първо, тя не замърсява и не застрашава с нещо околната среда и хората и, второ, необходимата суровина (деутерий) се намира в практически неограничени количества и се добива относително лесно от морската вода. За съжаление все още не е осъществена управляема термоядрена реакция, която да осигури енергия в икономически изгодни количества.

11. Разгледайте фиг. 10 и фиг. 11. Как радиоактивните лъчения се използват, за да се измерят равнището на течност в непрозрачен съд и дебитът на течност в една тръба?

Отговор...

Ако в съда плава източник на радиоактивно лъчение, което прониква през непрозрачните стени, с един детектор на лъчението, намиращ се извън съда, лесно може да се установи равнището на свободната повърхност на течността.
Дебитът на течността в една тръба е толкова по-голям, колкото по-бързо се върти една перка, монтирана в тръбата (както във водомерите). Ако на перката се постави радиоактивен източник, а на тръбата – защита, която позволява на лъчението да излиза от нея само при определено положение на перката, по интензитета на регистрираното от един външен детектор лъчение може да се съди за скоростта на въртене на перката и оттам – за дебита на течността..

12. Каква е същността на метода на белязаните атоми и какви са някои от неговите приложения?

Отговор...

Методът на белязаните атоми се прилага за установяване на придвижването и усвояването на определен химичен елемент в жив организъм. За целта нищожна част от атомите на този елемент, които участват в определено химично съединение, се заменят с атоми на радиоактивен изотоп на елемента. По регистрираното от тези атоми лъчение се съди за положението на атомите в организма.

13. Възможно ли е по съдържанието на  да се определи възрастта на открит при археологически разкопки глинен съд? Обосновете отговора си.

Отговор...

Възрастта на глинен съд не може да се установи чрез определяне на съдържанието на радиоактивния изотоп . Методът е приложим само за остатъци от живи организми, т.е. от организми, които, когато са живели, дишали и по този начин процентното съдържание на  в тъканите им е било както в атмосферата.

14. В какво се изразява действието на йонизиращите лъчения върху живите клетки?

Отговор...

Резултатите от въздействието на радиоактивни лъчения върху живите клетки са разнообразни, като най-важни са способността им да повреждат молекулата на ДНК, да спират действието на ензими и др.

15. Кое е по-опасно за човек – погълната доза от 0,1 Gy -лъчи или погълната доза от 1 Gy -лъчи? (Упътване: Биологичното въздействие на -лъчите е сходно с това на рентгеновите лъчи.)

Отговор...

Според данните от текста, на погълната доза от 0,1 Gy -лъчи съответства еквивалентна доза 2 Sv, и тъй като на погълната доза 1 Gy -лъчи съответства еквивалентна доза 1 Sv, по-опасна за човека е погълнатата доза -лъчи.

Задачи

1. При делене на ядрото на  се освобождава около 200 MeV енергия. Колко енергия, изразена в kWh, ще се освободи в ядрен реактор при пълно делене на 1 g   ако 1 eV = 1,6.10–19 J, а числото на Авогадро е NA = 6,02.1023?

Решение...

Дадено: Е1 = 200 MeV, m = 1 g, N A = 6,02.1023, A = 235, 1 еV = 1,6.10–19 J.
Търси се: Е.
Освободената при делението на 1 g уран енергия е:

Е = NE1,

където  е общият брой атоми в 1 g от Като заместим дадените числени стойности, за Е получаваме:

Тъй като 1 kWh = 103.3600 = 3,6.106 J, освободената при деление на 1 g  уран-235 енергия е:

2. Колко енергия се отделя при ядрен синтез на деутерий от протон и неутрон, т.е. в реакцията  Масата на деутерия е 3,34761.10–27 kg.

Решение...

Дадено: mD = 3,34432.10-27 kg, mp = 1,67265.10-27 kg, mn = 1,67496.10-27 kg.
Търси се:
Тъй като ядрото на деутерия се състои от един протон и един електрон, масовият дефект
на ядрото е:

 = mp + mn – mD.

Съгласно с формулата на Айнщайн отделената при синтеза на едно деутериево ядро енергия е:
   =
          = (3.108 m/s)2(1,67265 + 1,67496 – 3,34432).(10-27 kg) = 2,9.10–13 J = 1,8 МeV.

3. При термоядрен синтез на хелий в реакцията  се освобождава 17,6 MeV енергия. Колко енергия ще се освободи при синтез на 1 g хелий? Пресметнете какво количество въглища със специфична топлина на изгаряне 27 MJ/kg трябва да изгори, за да се получи същата енергия.

Решение...

Дадено: Е0 = 17,6 MeV, mHe = 6,645.10-27 kg, m = 1 g = 10-3 kg, r = 27 MJ/kg.
Търси се: E.
Общата освободена при синтез на 1 g хелий енергия в джаули намираме, след като отчетем, че 1 eV = 1,6.10-19 J, а 1 MeV = 106 eV:

Тъй като при изгаряне на въглища с маса M се освобождава енергия rM,за да се получи енергия Е, трябва да се изгорят въглища с маса:

4. Определете КПД на ядрен реактор, ако мощността на задвижваните от него турбини е 32 000 kW, а в денонощие се изразходват 200 g  При едно деление на урановото ядро се освобождава 200 MeV енергия.

Решение...

Дадено: P = 32 000 kW = 32.106 W, MU = 200 g, E0 = 200 MeV = 2.108 eV, NA = 6,02.1023, A = 235, t = 1 денонощие = (24 h).(3600 s) = 8,64.104 s.
Търси се: .
Тъй като в 1 g има NA/A атома, в уран-235 с маса MU се съдържат MUNA/A атома. Освободената при това енергия е   а освободената за единица време енергия  – P0 = Е/t. При пресмятане на отчитаме, че 1 eV = 1,6.10-19 J. Така намираме: