7 · Radioactivity and particles

นิวเคลียสทำงานอย่างไร

Some nuclei are unstable: they throw out radiation at random, decay by half-lives, and — in reactors and stars — release energy by splitting or joining. This section covers atomic notation, the three ionising radiations with their penetrating powers, half-life calculations, the fission chain reaction, and why fusion lights the stars but not our power stations.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 7 (ข้อความ 7.1–7.26). หน่วย: เบคเคอเรล (Bq), พร้อมเวลาเป็น s, min หรือ h.

ความเป็นกัมมันตรังสี

อะตอมเก็บโปรตอนและนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส; สัญลักษณ์ $^{A}_{Z}X$ แสดง เลขมวล (เลขนิวคลีออน) A และ เลขอะตอม (เลขโปรตอน) Z. ไอโซโทป มี Z เหมือนกันแต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน

นิวเคลียสไม่เสถียรจะ emit — แบบสุ่ม — อัลฟา α (นิวเคลียสฮีเลียม, $^4_2$He), เบตาลบ β⁻ (อิเล็กตรอน, เกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน) และ แกมมา γ (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง, ไม่มีอนุภาค). การปรับสมดุล: ทั้ง เลขมวลและประจุถูกอนุรักษ์

Worked check. คาร์บอน-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A คงอยู่ที่ 14; ประจุ 6 = 7 + (−1) ✓. Radon: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$

ตัวอย่างวิธีทำ (เติมคำในช่องว่าง). สตรอนเซียม-90 สลายตัวด้วยการปล่อยอนุภาคเบตา: $^{90}_{38}\text{Sr} \rightarrow {}^{90}_{39}\text{Y} + {}^{0}_{-1}e$. เลขมวลคงที่ 90 และเลขอะตอมเพิ่มขึ้น up เป็น 1 เนื่องจากนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน ยูเรเนียม-238 สลายตัวด้วยการปล่อยอนุภาคอัลฟา: $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$; เลขมวลลดลง 4 และเลขอะตอมลดลง 2 การปล่อยรังสีแกมมาไม่ทำให้เลขทั้งสองเปลี่ยน

Detection: photographic film (badge) or a Geiger–Müller tube. Background radiation comes from rocks and cosmic rays (space), food, medical uses and fallout.

กิจกรรม (ในหน่วยเบคเคอเรล; 1 Bq = 1 การสลาย/วินาที) ลดลงอย่างต่อเนื่อง: ครึ่งอายุ คือเวลาที่ใช้ให้ นิวเคลียสที่ยังไม่สลายครึ่งหนึ่งสลายตัว ตรวจสอบวิธีทำ. 800 Bq ด้วยครึ่งอายุ 6 ชม.: หลัง 24 ชม. (4 ครึ่งอายุ) กิจกรรม $= 800/2^4 = 50$ Bq.

ตัวอย่างวิธีทำ (ครึ่งอายุจากจำนวนนับ พร้อมค่าพื้นหลัง). ท่อจีเกอร์-มุลเลอร์ บันทึก 680 จำนวนนับต่อนาทีจากตัวอย่าง; ค่าพื้นหลังคือ 40 จำนวนนับต่อนาที 12 วันต่อมาบันทึกได้ 120 จำนวนนับต่อนาที

• จำนวนนับที่ปรับแล้ว: $680 - 40 = 640$ ที่จุดเริ่มต้น และ $120 - 40 = 80$ ที่จุดสิ้นสุด
• $640 \to 320 \to 160 \to 80$ เท่ากับสามครึ่งอายุใน 12 วัน ดังนั้นครึ่งอายุคือ $12 \div 3 = 4.0$ วัน

การแบ่ง 680 ออกเป็นสองส่วนสามครั้งจะได้ 85 ไม่ใช่ 120: การลืมค่าพื้นหลังจะทำให้ได้คำตอบผิด

การใช้งาน: สารติดตามทางการแพทย์ (ครึ่งอายุสั้น, รังสีแกมมา), การรักษาโรคมะเร็ง, การฆ่าเชื้อ, การควบคุมความหนา (เบตาผ่านกระดาษ) การปนเปื้อน (วัสดุนิวเคลียร์ติดบนร่างกาย — ต้องกำจัดออก) แตกต่างจาก การได้รับรังสี (การสัมผัสรังสี — หยุดเมื่อแหล่งกำเนิดออกจากพื้นที่) ความเสี่ยง: การกลายพันธุ์ของ DNA, ความเสียหายต่อเซลล์และเนื้อเยื่อ; ของเสียรังสีต้องเก็บรักษาอย่างปลอดภัยสำหรับครึ่งอายุที่ยาวนาน

การแตกตัวของนิวเคลียสและการรวมตัวกัน

แยกนิวเคลียสใหญ่หรือรวมนิวเคลียสเล็กสองตัวเข้าด้วยกัน — ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงาน และแต่ละกระบวนการใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรคนละประเภท

การแตกตัว: นิวตรอนชนกับ U-235 ทำให้แตกออกเป็น นิวเคลียสลูกสองตัวที่มีกัมมันตรังสี, 2–3 นิวตรอน และ พลังงานจลน์ — และหากนิวตรอนเหล่านั้นชนกับ U-235 อีก จะเกิด ปฏิกิริยาลูกโซ่ ขึ้น ตัวปรับความเร็ว ช่วยลดความเร็วนิวตรอนเพื่อให้แตกนิวเคลียสได้อย่างมีประสิทธิภาพ; แท่งควบคุม ดูดกลืนนิวตรอนเพื่อรักษาอัตราการแตกตัวให้คงที่; เกราะป้องกัน ปกป้องพนักงาน การรวมตัวกัน รวมนิวเคลียสเล็กให้เป็นขนาดใหญ่ขึ้น โดยแปลงมวลเป็นพลังงาน — ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์ การรวมตัวกันต้องใช้อุณหภูมิและความดันมหาศาลเพราะ โปรตอนที่มีประจุบวกจะผลักกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต — นิวเคลียสต้องชนกันด้วยความเร็วสูงพอที่จะเอาชนะแรงผลักรุนนั้นได้

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

• การอ้างว่าอนุภาคเบตามาจากชั้นอิเล็กตรอน มันเกิดในนิวเคลียสเมื่อนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน
• การลดเลขอะตอมในการสลายตัวแบบเบตา การสลายตัวแบบเบตา--minus เพิ่มเลขอะตอมขึ้น 1; การสลายตัวแบบอัลฟาลดมันลง 2 และลดเลขมวลลง 4
• การคิดว่าการสลายตัวครึ่งอายุสองรอบจะกำจัดตัวอย่างทั้งหมด หลังสองครึ่งอายุจะเหลือหนึ่งในสี่; หลังสามครึ่งอายุจะเหลือหนึ่งในแปด
• การลืมลบค่าพื้นหลังก่อนการแบ่งครึ่ง
• การเรียกรังสีแกมมาเป็นอันตรายที่สุดเพราะทะลุทะลวงได้ดีที่สุดในร่างกาย อนุภาคอัลฟ่าสร้างความเสียหายมากที่สุดเพราะมีประจุไอออนสูงที่สุด
• การสับสนระหว่างการปนเปื้อนและการได้รับรังสี วัตถุที่ได้รับการได้รับรังสีจะไม่กลายเป็นสารกัมมันตรังสี
• (P) การอ้างว่าแท่งควบคุมชะลอนิวตรอน ตัวชะลอจะชะลอพวกมัน; แท่งควบคุมจะดูดซับพวกมัน

ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง

1. ใน $^{19}_{9}F$ ระบุจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง
2. ชื่อบางชนิดของรังสีที่มีพลังไอออนทั้งสามชนิดและธรรมชาติของมัน
3. เขียนสมการเต็มของการสลายตัวแบบอัลฟาของ $^{226}_{88}Ra$
4. รังสีชนิดใดถูกขัดขวางโดยกระดาษ และชนิดใดสามารถทะลุผ่านอลูมิเนียมได้
5. ให้ตัวอย่างแหล่งกำเนิดรังสีพื้นหลังสองแห่ง
6. นิยาม半-life (ครึ่งชีวิต)
7. แหล่งกำเนิดที่มีค่า 3200 Bq มีครึ่งชีวิต 8 วัน จงหากิจกรรมหลังจากผ่านไป 32 วัน
8. ระบุความแตกต่างระหว่าง contamination (การปนเปื้อน) กับ irradiation (การได้รับรังสี)
9. อธิบายบทบาทของตัวลดความเร็ว, ก้านควบคุม และแผ่นกันรังสี ในเครื่องปฏิกรณ์
10. ทำไมการรวมตัวกันจึงต้องการอุณหภูมิสูงขนาดนั้น

คำตอบ: 1 9 โปรตอน, 10 นิวตรอน, 9 อิเล็กตรอน; 2 อัลฟา — นิวเคลียสของฮีเลียม (2p+2n); เบตา--minus — อิเล็กตรอนความเร็วสูง; แกมมา — คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 อัลฟาถูกกระดาษกั้น; แกมมาทะลุอลูมิเนียม (ต้องใช้ตะกั่วหนา); 5 เลือกสองข้อ: หิน/วัสดุก่อสร้าง, รังสีคอสมิก, อาหาร/เครื่องดื่ม, การแพทย์, ก๊าซเรดอน, ฝุ่นละอองนิวเคลียร์; 6 เวลาที่ประชากรที่ยังไม่สลายหรือกิจกรรมของแหล่งกำเนิดที่คาดไว้จะลดลงครึ่งหนึ่ง; 7 32 วัน = 4 ครึ่งอายุ: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 การปนเปื้อน — วัสดุนิวเคลียร์ติดอยู่บนร่างกาย, ความเสี่ยงยังคงอยู่จนกว่าจะถูกกำจัด; การได้รับรังสี — การสัมผัสรังสีจากแหล่งกำเนิด, จบลงเมื่อแหล่งกำเนิดถูกกำจัดออก; 9 ตัวชะลอชะลอนิวตรอนเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันที่มีประสิทธิภาพ; แท่งควบคุมดูดซับนิวตรอนเพื่อควบคุมอัตรา; การป้องกันดูดซับรังสีที่ escaping เพื่อปกป้องพนักงาน; 10 โปรตอนที่มีประจุบวกของนิวเคลียสสองอันผลักกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าดังนั้นนิวเคลียสต้องชนกันด้วยความเร็วมหาศาล — ซึ่งเกิดขึ้นได้เฉพาะที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก — เพื่อให้เข้าใกล้กันพอที่จะหลอมรวม