Fizyka jądrowa w pytaniach i odpowiedziach.

W czarnym kolorze materiał z podstawy programowej – pełne opanowanie na trójkę.

Na lepsze oceny materiał

w kolorze zielonym.

Kto odkrył jądro atomowe?

Ernest Rutherford

W jaki sposób?

Przepuszczał cząstki alfa przez pozłotko czyli cieniutką folię ze złota .
Przelatywały bez zakłóceń jakby przez pustkę, a tylko niektóre trafiały w coś
małego, ale ciężkiego i się odbijały.

Co to są nukleony?

Składniki jądra atomowego = protony i neutrony

Co decyduje o właściwościach
chemicznych atomu?

Ilość protonów w jądrze. Ona wyznacza ilość elektronów na powłokach, którymi
w wiązaniach chemicznych łączą się atomy.

W jakiej kolejności są ułożone
pierwiastki w układzie
okresowym?

Według ilości protonów.

Co to są izotopy?

Odmiany tego samego pierwiastka różniące się ilością neutronów w jądrze.

Wymień izotopy wodoru.

Prot, deuter i tryt. Deuter ma jeden neutron, a tryt dwa.

Jaki jest skład jądra

6 protonów i 6 neutronów

Dlaczego masa atomowa
może być liczbą ułamkową,
np. chloru 35,5u?

Bo jest to średnia masa atomu. Chlor ma dwa izotopy – o masie 35u i 37u.
Pierwszego jest trzy razy więcej niż drugiego, więc średnia masa jest bliższa 35u
niż 37u.

Co to jest liczba masowa?

Liczba nukleonów w jądrze. Liczba masowa to masa w zaokrągleniu. Masa
danego izotopu nie jest idealnie liczbą całkowitą choćby dlatego, że neutron jest
ociupinkę cięższy od protonu. Przy podawaniu liczby masowej traktujemy, że
oba mają masę 1u.

Jakie są rodzaje
promieniowania jądrowego?

Alfa, beta i gamma

Czym jest promieniowanie
alfa?

To jądra helu (dwa protony i dwa neutrony). Są wysyłane tylko przez ciężkie
jądra właśnie dlatego, że jest tam za dużo składników.

Czym jest promieniowanie
beta? Jak powstaje?

Są to elektrony. Choć nie ma ich w jądrze, powstają gdy neutron zmienia się w
proton. Neutron jest ociupinkę cięższy od protonu, więc wysyłając elektron
„chudnie”. Okazuje się, że zjawisko zamiany neutronu w proton jest czymś
zupełnie naturalnym. Swobodny neutron czyni to już po 15 minutach, a tylko w
jądrze wydaje się cząstką trwałą.

Co to jest neutrino?

To dużo lżejsza od elektronu obojętna elektrycznie cząstka elementarna, która
powstaje podczas rozpadu neutronu. Jest tak niechętna do jakichkolwiek
oddziaływań, że potrafi przelecieć przez kulę ziemską. Bardzo trudno ją wykryć.
Podczas rozpadu neutronu powstaje jej odmiana zwana antyneutrinem.

Czym jest promieniowanie
gamma? Jak powstaje?

To fotony, ale o energii tysiące razy większej niż światła widzialnego, dlatego
nasze oczy na nie nie reagują.
Zawsze następuje po alfa i beta. Gdy nukleony zajmują nowe pozycje w jądrze,
tracą energię w postaci tego promieniowania.

Czy promieniowanie alfa jest
najsłabsze?

Nie. Ono tylko jest gwałtowniej hamowane. Na krótkiej drodze zużywa całą swą
energię. Niszczycielska energia skoncentrowana na krótkiej drodze jest bardziej
szkodliwa niż rozłożona na długiej. Komórce, przez którą przeleciała cząstka alfa
jest trudniej się naprawić niż tej, przez którą przeleciał elektron czy foton
gamma, bo doznała liczniejszych uszkodzeń.

Dlaczego promieniowanie
jądrowe może wywoływać
raka?

Dlatego, że uszkadza kod genetyczny DNA, który jest przepisem na działanie
komórki. Wybija z niego atomy i większe fragmenty. Taka komórka jeśli
przeżyje może zacząć rozmnażać się bez ograniczeń. Tworząc guzy blokuje
przez ucisk i uszkadza różne narządy.

Dlaczego raka leczy się
promieniowaniem jądrowym?

Bo jako uszkodzone są bardziej podatne na zabicie promieniami niż zdrowe.
Poza tym promienie koncentruje się na raku, by zdrowe komórki oszczędzić. Na
przykład wbija się w guz złote igły z radem na końcu. Niszczą raka od środka.

Jak daleko lecą cząstki alfa w
powietrzu?

Kilka centymetrów. Z niektórych izotopów nawet 30 cm. Zależy to od energii,
jaką mają.

Jak daleko leci w powietrzu
promieniowanie beta?

Kilka metrów, ale z niektórych izotopów nawet kilkadziesiąt.

Jak daleko leci w powietrzu
promieniowanie gamma?

Na dowolną odległość, ulega tylko coraz większemu osłabieniu.

Czym można zatrzymać te trzy
rodzaje promieniowania?

Alfa - kartką papieru
Beta – grubym kartonem
Gamma – grubą warstwą ołowiu lub betonu

Jak głęboko wnikają w
człowieka?

Alfa – wnika w skórę na ułamek mm
Beta – wnika w skórę na kilka mm
Gamma – przechodzi przez człowieka na wylot mogąc uszkodzić wszystko

Jaki przede wszystkim rodzaj
raka wywołuje alfa i beta?

Skóry, bo skóra je zatrzymuje. Płuc, jeśli pył promieniotwórczy osiądzie w
płucach. Jeżeli zanieczyszczone tym pyłem produkty zjemy, pierwiastki
promieniotwórcze mogą być omyłkowo wykorzystane do budowy tkanek i
powodować raka w dowolnym organie.

Jaki rodzaj raka powoduje
promieniowanie gamma?

Białaczkę, bo dociera do wnętrza kości, gdzie w szpiku są komórki macierzyste
produkujące czerwone i białe ciałka krwi. Komórki podczas podziału są
szczególnie narażone na uszkodzenie. Niekontrolowane namnażanie białych
skutkuje białaczką. Białe ciałka niszczą czerwone.

Dlaczego efektem
napromieniowania jest
czasowa lub trwała
niepłodność mężczyzn?

Bo plemniki są stale produkowane przez podział komórek. Komórki podczas
podziału nie potrafią dobrze naprawiać uszkodzeń.

Co to jest choroba
popromienna?

To zespół dolegliwości związanych z otrzymaniem dużej dawki promieniowania
w krótkim czasie. Objawem są mdłości, krwawe biegunki na skutek porażenia
kosmków jelitowych, wypadanie włosów (bo cebulki włosów są wrażliwe na
promieniowanie, skoro ich komórki wciąż się dzielą), niedokrwistość na skutek
zabicia komórek wytwarzających czerwone ciałka. Przy małych dawkach
promieniowania objawy wystąpią, ale można przeżyć. Kto przeszedł te chorobę
ma zwiększone ryzyko zapadnięcia na białaczkę, bo jej okres utajony może trwac
kilka lat..

Dlaczego ciężkie pierwiastki
np. ołów, lepiej zatrzymują
gamma niż lekkie?

Ponieważ ciężkie atomy mają więcej elektronów, a gamma jako fala
elektromagnetyczna oddziałuje właśnie z elektronami.

Jaki przyrząd służy do
wykrywania promieniowania
jądrowego?

Licznik Geigera-Millera. Jest to rurka z rozrzedzonym gazem. Każdy przelot
cząstki alfa lub beta umożliwia przeskok iskry w tym gazie, czemu towarzyszy
trzask z głośnika.

Jakimi jednostkami mierzy się
dawkę otrzymaną przez
organizm?

Z bezpośredniego pomiaru można odczytać ilość grejów. Grej jest wtedy, gdy na
1 kg ciała przypada 1 dżul energii pochłoniętej od promieniowania. Ta
jednostka uwzględnia wprawdzie energię, ale nie uwzględnia jak wrażliwy był
organ i czym został napromieniowany, a to ma znaczenie w określaniu skutków.

W celu uwzględnienia tych czynników wprowadzono siwerty. Nie ma przyrządu,
który by wprost podawał ich ilość. Trzeba wyliczać za pomocą wzorów. Kilka
milisiwertów na rok to średnia dawka w Polsce pochodząca z otoczenia.

Co mówi prawo zaniku
promieniotwórczego?

Mówi, że w jednakowym czasie zawsze jednakowa część atomów ulega
rozpadowi.

Co to jest czas połowicznego
zaniku?

Czas po którym połowa atomów ulega rozpadowi, zmieniając się w atomy
innego pierwiastka.

Dlaczego nie ma rozpadu
gamma?

Bo podczas wysłania tego promieniowania, jądro nie zmienia się w jądro innego
pierwiastka, a tylko protony i neutrony zajmują nowe położenia. Promieniowanie
gamma zawsze towarzyszy rozpadom alfa i beta.

Kiedy była katastrofa w
Czarnobylu?

W końcu kwietnia 1986 r. Pył z pierwszego dnia powiało nad Skandynawię, z
drugiego nad Polskę. Największe skażenie było w Opolskiem, bo tam spadł
deszcz.

Dlaczego po wybuchu w
Czarnobylu podawano
dzieciom płyn Lugola lub
bardzo rozcieńczoną jodynę?

Ponieważ wydostało się wtedy do atmosfery dużo promieniotwórczego jodu,
który mógłby się gromadzić w tarczycy i ją niszczyć. Jod jest potrzebny do
prawidłowego rozwoju i działania tarczycy, a ta steruje pracą wielu narządów,
np. serca. Jod z płynu Lugola (wodnego roztworu jodku potasu KJ) lub jodyny
(alkoholowego roztworu KJ) miał dostarczyć tarczycy odpowiednią porcję
niepromieniotwórczego jodu. Jodek potasu jest substancją, którą spożywamy w
jodowanej soli, bo jest do niej dodawany w minimalnych ilościach.

Położenie tarczycy. Tarczyca powiększona przez chorobę.

Czy obecnie jod z Czarnobyla
jest groźny?

Nie, bo jego czas połowicznego zaniku to 8 dni. Po ponad 30 latach nie został z
niego żaden atom.

Jaki pierwiastek
promieniotwórczy z
Czarnobyla wciąż pozostaje w
naszym otoczeniu?

Cez podobny chemicznie do bardzo potrzebnego człowiekowi sodu i potasu
(płyny ustrojowe są zazwyczaj słone). Bywa omyłkowo przyswajany przez
organizm. Ma czas połowicznego zaniku 30 lat, więc ponad połowa jego
dotrwała do dziś.
Stront udaje wapń i magnez. Może być wbudowywany w kości. Promieniuje
powoli, bo czas połowicznego zaniku to dla niego 29 lat.

Skąd się bierze węgiel C14
stosowany do określania wielu
znalezisk archeologicznych?

Powstaje cały czas w atmosferze podczas bombardowania azotu neutronami z
promieniowania kosmicznego.

Co to jest uran wzbogacony?

To uran, w którym zwiększono ilość izotopu 235 w stosunku do 238. Tylko ten
pierwszy nadaje się do rozszczepiania, ale jest go mało w naturalnym uranie.
Pospolity izotop nie nadaje się natomiast do rozszczepiania, bo po pochłonięciu
neutronu nie ma zamiaru się rozszczepić. .

Co to jest uran zubożony?

To uran w z którego usunięto większość izotopu 235. Z powodu swego ciężaru
jest używany na głowice pocisków przeciwpancernych.

Skąd się bierze hel na Ziemi?

Uran promieniuje bardzo słabo, bo czas jego połowicznego zaniku to 4,5 mld lat.
Czyli od powstania układu słonecznego zniknęła go dopiero połowa. Jest zawarty

w skałach. Cały czas wysyła promieniowanie alfa. Ono po przyłączeniu
elektronów staje się helem, który gromadzi w szczelinach pod ziemią i w złożach
gazu ziemnego.

Jaki promieniotwórczy gaz
powstaje na skutek rozpadu
uranu w skałach?

Uran obecny w skałach i piasku zmienia się w kolejne pierwiastki
promieniotwórcze, wreszcie w rad, a z radu powstaje radon. Radon jako gaz
ulatuje ze szczelin skalnych, z porów w tynku itp. i ponieważ jest bardzo ciężki
gromadzi się zwłaszcza przy podłodze i w piwnicach.
Dlatego warto wietrzyć zamknięte pomieszczenia.

Jaki ostatecznie pierwiastek
powstaje z uranu?

Ołów. Ołów już nie jest promieniotwórczy.

Dlaczego w bombie atomowej
uran (lub pluton) jest w kilku
kawałkach?

By bomba przedwcześnie nie wybuchła. Z małych kawałków neutrony uciekają.
Dopiero w odpowiednio dużej bryle rozbijają kolejne jądra.

Co to jest masa krytyczna?

Najmniejsza masa, w której może zachodzić reakcja łańcuchowa.

Z małej porcji neutrony łatwo uciekają, bo trudno jest im trafić w jądra atomowe.
Udaje się im dopiero, gdy jąder jest odpowiednio dużo

Czym się różni reakcja
łańcuchowa od lawinowej?

Łańcuchowa polega na tym, że po rozszczepieniu tylko jeden z neutronów, które
wyskoczyły z rozbitego jądra, trafia w następne jądro - reszta ucieka. W
lawinowej te inne też trafiają w jądra, przez co ilość rozszczepień lawinowo
narasta.

Skąd bierze się energia
podczas rozszczepienia?

Z odpychania elektrycznego nowych jąder i promieniowania gamma
powstającego, gdy się te nowe jądra tworzą.

Fotony gamma są wysyłane, bo nukleony formując nowe jądra zajmują nowe
pozycje.

Po co jest w bombie atomowej
zwykły ładunek wybuchowy?

By gwałtownie złączyć kawałki substancji rozszczepialnej i przekroczyć w ten
sposób masę krytyczną.

Schemat bomby plutonowej. W centrum źródło neutronów.

Jak wytwarza się pluton?

W reaktorze z nierozszczepialnego uranu 238, który po pochłonięciu neutronu
ulega dwóm rozpadom beta.

Skąd się bierze pierwszy

Może wziąć się z uranu lub plutonu, ponieważ ich jądra potrafią czasami

neutron?

rozszczepiać się spontanicznie, bez trafienia neutronem.
Może wziąć się z otaczającego powietrza. Z kosmosu wpadają w atmosferę
bardzo rozpędzone protony itp., wysłane podczas wybuchów supernowych. W
zderzeniach z cząsteczkami powietrza wybijają z nich neutrony.
W bombie atomowej nie należy jednak liczyć na taki przypadkowy neutron, bo
bomba może spaść na ziemię, zamiast wybuchnąć na odpowiedniej wysokości.
Dlatego umieszcza się specjalne źródło neutronów, na przykład wytwarzany w
reaktorach Kaliforn, który dość intensywnie spontanicznie się rozszczepia
wysyłając neutrony.

Do czego służy w reaktorze
moderator?

Moderator to inaczej „spowalniacz”. W zderzeniach z jego cząsteczkami
neutrony tracą prędkość. Przy małej prędkości neutron nie musi wcale trafić w
jądro uranu. Wystarczy, że leci w pobliżu. Ono zdąży go wtedy wciągnąć do
ś

rodka i się rozwali. Zastosowanie moderatora pozwala łatwiej uzyskać reakcję

łańcuchową.

Jak kontroluje się reakcję
łańcuchową, by nie przeszła w
lawinową?

Służą do tego pręty kontrolne wykonane zazwyczaj z kadmu. Jądra kadmu
wyłapują neutrony do swego wnętrza, same się nie rozszczepiając. W przypadku
niepożądanego wzrostu temperatury wystarczy głębiej opuścić te pręty pomiędzy
pręty paliwowe.

Schemat reaktora jądrowego w elektrowni.

Dlaczego w reaktorze paliwo
jądrowe jest w postaci prętów?

Z długiego i cienkiego pręta neutrony łatwiej uciekają. Wtedy można je
spowalniać bądź wyłapywać zanim trafią do drugiego pręta.

Co to jest ciężka woda?

To woda, w której zamiast protu występuje deuter. Cząsteczka ciężkiej wody ma
masę 19 lub 20 u, zależnie od tego czy jeden czy oba atomy wodoru są deuterem.

Jakie substancje są
wykorzystywane jako
moderator?

Najpowszechniej woda, ciężka woda, lub grafit. Zwykła woda wymaga
stosowania mocno wzbogaconego uranu, bo prot chętnie przyłącza neutrony,
których przez to może w reaktorze brakować. Lepiej stosować ciężką wodę.
Deuter w niej zawarty już nie wyłapuje neutronów.

Jako moderatora używane są lekkie pierwiastki, bo w zderzeniu z lekkim jądrem
neutron bardziej zwalnia niż odbijając się od ciężkiego. Podobnie jest z piłeczką,
która od ściany odskakuje z prawię tą samą prędkością z jaką uderzała. Gdyby
uderzyła w coś niewiele cięższego od siebie, popchnęłaby to ciało, sama mocno
zwalniając.

Które reaktory są
bezpieczniejsze - wodne czy
grafitowe?

Z wodą jako moderatorem. Gdy na skutek awarii szczelna obudowa się rozerwie,
woda wyparowuje i reaktor sam przestaje pracować. Skażenie wprawdzie
powstaje, ale nie ma problemu z wygaszeniem reaktora. Jeśli jest grafit, reaktor
dalej pracuje i wydziela do otoczenia promieniotwórcze substancje.

Ile atomów pierwiastka
zostanie z 1 000 po 3 dniach
jeśli czas połowicznego zaniku
wynosi 1 dzień?

1 000 x (1/2)

3

=125

A i B to przykładowe
pierwiastki. Uzupełnij
brakujące liczby:

Materiał dla klas, które miały omówioną reakcję syntezy jarowej

Co to jest reakcja syntezy
jądrowej?

To powstanie jednego jądra z kilku. Ponieważ jądra się odpychają elektrycznie
bardzo ciężko jest zbliżyć je na tak małą odległość, by się chciały połączyć.
Dopiero we wnętrzu Słońca temperatura (15 mln stopni) jest wystarczająca do
tego, by jądra wodoru łączyły się w jądra helu.

Dlaczego Słońce świeci?

Bo w nim „spala się” wodór, z którego powstaje hel. 4 jądra wodoru, protony,
dają jedno jądro helu, przy czym 2 z nich muszą zmienić się w neutrony. W tym
celu wysyłają z siebie po pozytonie, dodatnim elektronie będącym antymaterią.

Skąd się bierze energia w
spalaniu wodoru w hel?

Podczas łączenia protony wyświecają jako promieniowanie gamma energię, która
mogłaby je rozdzielić. Dodatkowo pozytony anihilują z elektronami też
zmieniając się w to promieniowanie. Rozgrzewa ono wnętrze Słońca, tak że na
powierzchni Słońca temperatura wynosi 6 000 stopni.

Jakie znaczenie ma tu wzór
Einsteina E=mc

2

?

Kiedy człowiek się zatrzymuje, ginie jego energia kinetyczna. Nie sposób
wykryć, że ubywa mu przez to masy. Jednak zgodnie z tym wzorem skoro coś
traci energię, traci jednocześnie masę. W przypadku rozszczepienia jądra, które
odkryto na pojedynczych atomach, różnica między masą jądra wyjściowego i
łączną produktów była wyraźna, co oznaczało, że musi się wydzielać niezwykle
dużo energii. To stało się podstawą dążenia do zrobienia bomby.
W przypadku Słońca promieniowanie gamma też unosi masę, 4 miliony ton na
sekundę.

Co to jest bomba wodorowa?

W odróżnieniu od zwykłej – atomowej, ta bomba odtwarza reakcje zachodzące w
Słońcu. Zapalnikiem jej jest bomba atomowa, która wytwarza odpowiednią
temperaturę.

Pytania do samodzielnego przygotowania na szóstkę:

1.

Jaki naukowiec i w jakim mieście zbudował pierwszy reaktor jądrowy? Co spełniało w nim rolę
spowalniacza?

2.

Gdzie odkryto wygasły reaktor jądrowy stworzony przez naturę i co spełniało w nim rolę spowalniacza?

3.

Jakimi jednostkami mierzymy aktywność danej porcji substancji promieniotwórczej? Podaj definicję jednej
z nich.

4.

W jaki sposób wykrywa się neutrina?