עבודה גרעינית
חלק מגרעינים אינם יציבים: הם משחררים קרינה באופן אקראי, דועכים לפי מחצית חיים, ושואפים אנרגיה בתגובות פיצול או היצמדות — במכונות גרעין וכוכבים. פרק זה מכסה סימון אטומי, שלושת סוגי הקרינה המיוננת ועוצמתה, חישובי מחצית חיים, תגובת שרשרת הפיצול, ולמה היצמדות מדליכה כוכבים אך לא תחנות כוח שלנו.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 7 (אמירות 7.1–7.26). יחידות: בקרל (Bq), עם זמן ב-s, min או h.
רדיואקטיביות
אטום מכיל פרוטונים וניאוטרונים בגרעין; סימון $^{A}_{Z}X$ נותן מספר מסה (מספר נוקלאונים) A ומספר אטומי (מספר פרוטונים) Z. איזוטופים משתפים Z אך שונים בניאוטרונים.
גרעינים לא יציבים פולטים — באופן אקראי — אלפא α (גרעין הליום, $^4_2$He), בטה-מינוס β⁻ (אלקטרון, נוצר כאשר ניאוטרון הופך לפרוטון) וגמא γ (גל אלקטרומגנטי בעל אנרגיה גבוהה, ללא חלקיקים). איזון: גם מספר המסה וגם המטען שמורים.
בדיקה פעולה. קרבון-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A נשאר 14; מטען 6 = 7 + (−1) ✓. רדון: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
| קרינה | טבע | מיוננת | טווח באוויר |
|---|---|---|---|
| אלפא | 2p + 2n | החזקה ביותר | מספר ס"מ |
| בטה | אלקטרון מהיר | בינונית | עשרות ס"מ |
| גמא | גל EM | החלשה ביותר | מטרים |
זיהוי: סרט צילום (תג) או צינור גייגר-מיילר. קרנית רקע נובעת מאבנים וקרניים קוסמיות (חלל), מזון, שימושים רפואיים ופסולת גרעינית.
פעילות (בבקרלים; 1 Bq = 1 דעיכה/ש) יורדת באופן עקבי: מחצית החיים היא הזמן עבור מחצית הגרעינים שלא דעכו לדעוך. בדיקה פעולה. 800 Bq עם מחצית חיים 6 שעות: לאחר 24 שעות (4 מחציות חיים) הפעילות $= 800/2^4 = 50$ Bq.
שימושים: סימנים רפואיים (מחצית חיים קצרה, גמא), טיפול בסרטן, חיטוי, בקרת עובי (בטה דרך נייר). זיהום (חומר רדיואקטיבי עליכם — יש להסירו) שונה מחשיפה לקרינה (חשיפה לקרינה — מפסיקה כאשר המקור עוזב). סכנות: מוטציה ב-DNA, נזק לתאים ולארגנים; פסולת רדיואקטיבית חייבת להיות מאוחסת בבטחה למחציות החיים הארוכות שלה.
פיצול והיצמדות
להפריד גרעין גדול או לחבר שני גרעינים קטנים — שתי פעולות משחררות אנרגיה, ולכל אחת יש מכונה משלה.
התפרקות: ניטרון פוגע ב-U-235, ומפרק אותו ל-שני גרעיני בת רדיואקטיביים, 2–3 ניטרונים ואנרגיה קינטית — ואם ניטרונים אלו פוגעים ב-U-235 נוספים, מתרחשת תגובה שרשרתית. המחמם מאט את הניטרונים כדי שהם יפרקו גרעינים ביעילות; מוטות השליטה סופגים ניטרונים כדי לשמור על קצב יציב; ההגנה מגנה על העובדים. היתוך מאחד גרעינים קטנים לגדול יותר, וממיר מסה לאנרגיה — המקור של השמש. ההיתוך דורש טמפרטורה ולחץ עצומים כי פרוטונים מטען חיובי דוחים אלקטרוסטטית — הגרעינים צריכים להתנגש במהירות מספקת כדי להתגבר על הדחייה הזו.
בדוק את עצמך
- ב$^{19}_{9}F$, ציין את מספר הפרוטונים, הניטרונים והאלקטרונים באטום ניטרלי.
- נסה את שלושת סוגי הקרינה המעוררת יוניזציה ואת טבעם.
- כתוב את המשוואה המלאה לדעיכת אלפא של $^{226}_{88}Ra$.
- איזה קרינה מופסקת על ידי נייר, ואיזה קרינה חודרת דרך אלומיניום?
- תן שתי מקורות לקרינת רקע.
- הגדר מחצית חיים.
- מקור בעוצמה של 3200 Bq יש מחצית חיים של 8 ימים. מצא את עוצמתו לאחר 32 ימים.
- ציין את ההבדל בין זיהום לקרנה.
- נסה את תפקידי המסוכך, מוטות הבקרה והמגן בתגובה גרעינית.
- מדוע התמזוג דורש טמפרטורות כה גבוהות?
תשובות: 1 9 פרוטונים, 10 ניטרונים, 9 אלקטרונים; 2 אלפא — גרעין הליום (2p+2n); מינוס-ביטה — אלקטרון מהיר; גמא — גל אלקטרומגנטי אנרגטי; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 אלפא מופסק על ידי נייר; גמא חודר אלומיניום (דורש עופרת עבה); 5 כל שניים: סלעים/חומרי בנייה, קרנים קוסמיות, מזון/משקאות, רפואי, גז רדון, נפילות גרעיניות; 6 הזמן הנדרש כדי שמחצית מגרעינים לא דעיים (או העוצמה) ידעכו; 7 32 ימים = 4 מחציות חיים: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 זיהום — חומר רדיואקטיבי נדבק עליך, הסיכון נשאר עד להסרתו; קרנה — חשיפה לקרינה ממקור, מסתיימת כאשר המקור מוסר; 9 מסוכך מאט ניטרונים לביצועי פיצול יעילים; מוטות בקרה סופגים ניטרונים לשליטה בקצב; מגן סופג קרנה יוצאת כדי להגן על העובדים; 10 הפרוטונים הטעונים חיובית של שני גרעינים דוחים זה את זה חשמלית, ולכן הגרעינים חייבים להתנגש במהירות עצומה — הדבר מתקבל רק בטמפרטורה ולחץ גבוהים מאוד — כדי להתקרבת מספיק להתמזוג.