Fizyka jądrowa w pytaniach i odpowiedziach. Klasa I.

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. Nie do końca zgadza się to ze wzrastającą masą atomu, bo ta zależy jeszcze od ilości neutronów. Bywa, że lżejszy pierwiastek leży dalej niż cięższy.
Co to są izotopy?	Odmiany tego samego pierwiastka różniące się ilością neutronów w jądrze.
Wymień (i narysuj) izotopy wodoru.	Prot, deuter i tryt. Deuter ma jeden neutron, a tryt dwa.
Jaki jest skład jądra	6 protonów i 6 neutronów
Jakie są trzy 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.
Czym jest promieniowanie gamma?	To fotony, ale o energii tysiące razy większej niż światła widzialnego, dlatego nasze oczy na nie nie reagują.
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. Powoduje reakcje chemiczne, wiązania w złych miejscach. Taka komórka jeśli przeżyje może zacząć rozmnażać się bez ograniczeń tworząc guzy i uszkadzając różne narządy.
Dlaczego raka leczy się promieniowaniem jądrowym?	Bo jako uszkodzone są bardziej podatne na zabicie promieniami niż zdrowe, a przede wszystkim są ciągle w trakcie podziału, co wyłącza mechanizmy naprawiające DNA. 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? Dlaczego nie leci po linii prostej?	Kilka metrów, ale z niektórych izotopów nawet kilkadziesiąt. Tor jest linią łamaną na skutek odbijania się elektronu od cząsteczek powietrza.
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 ona 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 ciałka krwi.
Dlaczego efektem napromieniowania jest czasowa lub trwała niepłodność mężczyzn?	Bo plemniki są stale produkowane przez podział komórek.
Jakie komórki są szczególnie wrażliwe na promieniowanie i dlaczego?	Wszystkie, które są w trakcie podziału, a spośród nich komórki szpiku, cebulek włosowych, plemniki, komórki raka, bo dzielą się ciągle. Podczas podziału nie działają mechanizmy naprawcze.
Dlaczego ciężkie pierwiastki np. ołów, lepiej zatrzymują gamma niż lekkie?	Ponieważ atomy ciężkie mają więcej elektronów, a gamma jako fala elektromagnetyczna oddziałuje właśnie z elektronami wybijając je z atomów.
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.
Co mówi prawo zaniku promieniotwórczego?	Mówi, że w jednakowym czasie zawsze jednakowa część atomów ulega rozpadowi. Jest to jednak prawo statystyczne, czyli słuszne dopiero dla dużych ilości atomów. Przy kilkudziesięciu atomach może być co najwyżej podstawą przewidywań, bo rozpad jest zjawiskiem przypadkowym.
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 następuje po rozpadach alfa i beta, gdy składniki jądra przyjmują nową konfigurację.
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 około 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 połowa jego dotrwała do dziś.
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. Izotop 238 nie nadaje się do rozszczepiania, bo po pochłonięciu neutronu zmienia się w pluton wysyłając dwukrotnie dodatni elektron czyli pozyton (tzw. promieniowanie beta+, w odróżnieniu od zwykłego beta -).
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 się 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.
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 jest duża szansa, że rozbiją kolejne jądra.
Co to jest masa krytyczna?	Najmniejsza masa, w której może zachodzić reakcja łańcuchowa.
Co to jest reakcja łańcuchowa	Łańcuchowa polega na tym, że jedno rozszczepienie powoduje następne.
Skąd się bierze energia w procesie rozszczepienia?	Głównie jest to energia ruchu, którą nadaje fragmentom rozbitego jądra ich wzajemne odpychanie elektryczne. Małe jądra powstałe z podziału uderzając w otaczające atomy pobudzając je do drgań i tak rośnie temperatura materiału.
Po co jest w bombie atomowej zwykły ładunek wybuchowy?	By wbić jeden kawałek uranu w drugi i przekroczyć w ten sposób masę krytyczną.
Skąd się bierze pierwszy neutron?	Może wziąć się z uranu lub plutonu, ponieważ ich jądra potrafią czasami 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 środka 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.
Dlaczego w reaktorze paliwo jądrowe jest w postaci prętów?	By neutrony, które powstały w jednym kawałku łatwo zeń uciekały. Wtedy można je spowalniać bądź wyłapywać zanim trafią do drugiego.
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 moderator używane są lekkie pierwiastki, bo w zderzeniu z lekkim jądrem neutron bardziej zwalnia niż odbijając się od ciężkiego. Podobnie piłeczka bardziej zwalnia uderzając w piłkę o podobnej masie niż w ścianę domu, od której się odbija prawie nie zmieniając prędkości..
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.
Ile atomów pierwiastka zostanie z 1 000 po 3 dniach jeśli czas połowicznego zaniku wynosi 1 dzień? Ile ich było 3 dni wcześniej?	Po 3 dniach będzie: 1 000 x (1/2)^3 =125 Trzy dni wcześniej było: 1 000 v 2^3 = 8 000

---