uabooks.top

A 40. § tanulmányozása közben tisztáztátok, hogy egyes kémiai elemek magjai képesek spontán másik magokká alakulni, és az átalakulás sebességére nincs hatással sem a nyomás, sem a hőmérséklet, sem a legerősebb elektromágneses terek. Megtudjuk, hogyan kényszeríthető átalakulásra az atommag, milyen magokká alakulnak át, hogyan lehet azokat azonosítani, és hol alkalmazhatók.

Néhány tény a nukleáris reakciókról

A mag vagy az elemi részecskék azon kölcsönhatását, aminek következtében a kiindulóktól eltérő részecskék jönnek létre, nukleáris reakciónak nevezzük.

Az első nukleáris reakciót Ernest Rutherford hozta létre 1919-ben. Ez az a-ré-szecskék (hélium atommag) és a nitrogénatom kölcsönhatási reakciója volt, amelynek eredményeként oxigén és proton atommag jött létre:

Miért éppen α-részecske? Arról van szó, hogy az α-részecskéknek óriási a sebességük, és annyira közel kerülhetnek a maghoz, hogy a magerők hatása kezd érvényesülni.

Jegyezzétek meg! Bármilyen nukleáris reakció során teljesülnek a megmaradási törvények: az elektromos töltés megmaradásának törvénye; az energia- és tömegmegmaradás törvénye; az impulzusmegmaradás törvénye;

a tömegszám megmaradásának törvénye.

Gyó'zó'djetek meg róla, hogy a 41. §-ban leírt nukleáris reakciókban a töltésszámok és tömegszámok összege az egyenletek bal és jobb oldalain azonosak.

Az első nukleáris reakció megvalósítása

1919-ben Rutherford felfedezte, hogy az α-részecskék levegőn történő áthaladása során protonok keletkeznek. A tudós két feltételezést fogalmazott meg:

1) az α-részecske gyors „lövedékként” üti ki a protont a nitrogénatom magjából (a levegő 80 %-a nitrogén), és ez a mag szénatommaggá alakul át:

2) az α-részecskét elnyeli a nitrogénatom magja, az új mag protont sugároz ki, és oxigénatommá alakul át:

A második féltételezés bizonyult életképesnek — az említett reakciót 6 évvel később Wilson-kamrában (ködkamrá

ban) ügyelhették meg.

Magok nyomvonalai a Wilson-kamrában. A jellegzetes „villa" azt mutatja, hogy az ütközés pillanatában két részecske jön létre

A kísérletet folytatva a tudósok megállapították, hogy az α-részecskék nem rendelkeznek elegendő energiával ahhoz, hogy megfelelő közelségbe kerüljenek a 19-nél nagyobb rendszámú atomokhoz, tehát a mag töltésének növekedésével növekszenek a Coulomb-féle taszítási erők is. Az ilyen magok tanulmányozására protonokat is fel lehetett volna használni (töltésük kétszer kisebb), viszont a természetben nem léteznek gyors protonok. Ekkor merült fel a részecskegyorsítók létrehozásának ötlete. A gyors protonokkal végzett első nukleáris reakciót 1932-ben hajtották végre Rutherford laboratóriumában: lítium gyors protonokkal történő besugárzása eredményeként a lítiumatomot sikerült két a-részecskére hasítani:

A modern részecskegyorsítók segítségével bármilyen atommag átalakítható vagy roncsolható.

A neutron felfedezésével a tudósok még több lehetőséget kaptak a nukleáris reakciók tanulmányozására (1932): a neutronnak nincs töltése, ezért az atom nem taszítja el, tehát fel sem kell gyorsítani. A neutronokkal végzett kísérletek során kiderítették, hogy a lassú neutront a mag jobban elnyeli, mint a gyorsabbakat. Ezt a tényt fiatal olasz tudósok fedezték fel Enrico Fermi (1901—1954) vezetésével 1934-ben. A lassú neutronok alkalmazása tette lehetővé idővel a nukleáris reaktorok létrehozását (lásd a 42. §-t).

Radioaktív izotópok létrehozása és alkalmazása

Idézzük fel: az izotópok egyazon kémiai elem olyan módosulatai, amelyek atommagjai azonos számú protonból, de eltérő számú neutronból épülnek fel. Ennek megfelelően, a radioaktív izotópok - egyazon kémiai élem atomjainak olyan módosulatai, amelyeknek a magjai mikrorészecskék és у-sugarak kibocsátásával kísérve szabadon más elemek atomjaivá alakulhatnak át.

Az első mesterséges radioaktív izotóp - a foszfor

izotópja, amelyet

az Irene és Frederic Joliot-Curie tudósházaspár hozott létre 1934-ben. Alumíniumot α-részecskékkel bombázva neutronsugárzást észleltek:

A kísérlet érdekessége volt, hogy a neutronokkal együtt pozitronok is felszabadultak.

A pozitron jelenléte azt jelentette, hogy a kapott foszfor-30 magja P⁺-radioaktív volt:

Napjainkban minden természetben található elemnek előállították a mesterséges izotópját, amelyek általában β⁺-radioaktívak. Ipari mennyiségben az izotópokat a hasadási termékek és a neutronok felhasználásával atomreaktorokban állítják elő.

A mesterséges és természetes radioaktív izotópokat a gyógyászatban, mezőgazdaságban, iparban, energetikában és sok más ágazatban használják fel. A radioaktív izotópok felhasználásának három iránya van.

41.1. ábra. A műtrágya minőségének javítása érdekében ellenőrzik, hogyan hasznosítják azt a növények. A műtrágyához radioaktív izotópot adagolnak, majd megvizsgálják a növény radioaktivitását

1. Radioaktív izotópok felhasználása indikátorként. A radioaktivitás egy sajátságos mérce, amelynek segítségével kimutatható egyes elemek jelenléte, megfigyelhető az elemek „viselkedése” fizikai és biológiai folyamatokban (lásd például a 41.1., 41.2. ábrákat).

2. A radioaktív izotópok у-sugárzás forrásaként történő felhasználása. A γ-sugárzás segítségével megsemmisítik a mikrobákat (γ-sterilizáció), felderítik az anyaghibákat a fémek belsejében (γ-defektoszkópia), daganatos betegségeket gyógyítanak (41.3. ábra). A vetőmagok kis dózisokban történő γ-sugár-zása megnöveli a terméshozamot, a nagyobb dózisok viszont mutációkhoz vezethetnek, de egyben jobb tulajdonságokkal rendelkező növények is előállíthatok (sugárszelekció).

3. Radioaktív izotópok felhasználása atomenergia forrásaként. Például atomreaktorok fűtőanyagaként plutóniumot használnak — olyan transzurán elemet, amelynek magjai azt követően jönnek létre, hogy az urán-238 elnyeli a neutronokat:

Az ionizáló sugárzás érzékelésének módszerei

Az ionizáló sugárzás érzékelésének általános elve a sugárzás által végzett hatások érzékelésében rejlik.

Fotoemulziós réteg módszer. Az AgBr kristályokat tartalmazó fotoemulziós rétegben gyorsan mozgó töltött részecske egyes brómionokból elektronokat szakít ki. Miután előhívják a filmet, azon láthatóvá válik az elsődleges részecskének és az összes többi töltött részecskének a nyoma, amelyek az elsődleges részecskével történő kölcsönhatás által jöttek létre. A filmen látható nyomok vastagsága és hossza szerint meghatározható a részecskék töltése és energiája.

Szcintillációs számlálók - szcintillációs detektor. A gyorsan mozgó töltött részecske mozgási energiájának fényfelvillanási energiává való átalakítását szcintillációnak nevezzük. Ezeket a felvillanásokat regisztrálja az eszköz. Rutherford is ilyen eszközt használt az atomok felépítésének tanulmányozására végzett kísérleteiben (lásd a 26. §-t).

Wilson-kamra (ködkamra) - nyomvonal detektor (41.4. ábra). A kamrában szeszgőzzel telített levegő található. Amikor a dugattyút hirtelen leengedik, az adiabatikus tágulás eredményeként a gőz lehűl, és túltelítetté válik. Ha a gőzön töltött részecske hatol át, a nyomában ionlánc keletkezik, amelyre kicsapódik (konden-zálódik) a pára. Ezt a láncolatot nagysebességű fényképezőgép vagy felvevőgép segítségével örökítik meg (41.5. ábra).

A buborékkamra szintén nyomvonal detektor, működési elve és felépítése alapján hasonlít a Wilson-kamrához. A különbség a munkaközegben rejlik, amely ebben az esetben túlhevített folyadék. A részecske pályáján létrejövő buborékok lefényképezhetők.

A gázkisüléses Geiger-Müller-számláló

(41.6. ábra) és az ionizációs kamra (41.7. ábra) működésének alapelvei hasonlók. Mindkét eszköz belsejében nagyfeszültségű elektromos térbe helyezett gáz van. Amikor a töltött részecske áthatol a gázon, ionizálja az atomjait, és gázkisülés

jön létre. Egyes ionizációs kamrákban a részecskék mozgáspályája mentén szt-rimmerek — gázkisülés-csomók — figyelhetők meg, ezért az ilyen kamrák nyomvonal detektorok. Más típusú ionizációs kamrák és gázkisüléses számlálók az áram impulzusát érzékelik — ezek impulzusdetektorok. Az ionizációs sugárzás mérésére szolgáló dózismérők is impulzusdetektorok.

Milyen szakma képviselőinek kötelező a dózismérők használata?

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. Miután a nitrogén

magja elnyelte az α-részecskéket, ismeretlen elem és proton keletkezett. írjátok fel a nukleáris reakciót, és határozzátok meg az ismeretlen elemet.

A fizikai probléma elemzése. A megoldáshoz felírjuk a nukleáris reakciót. A reakció képletének jobb és bal oldalán a töltések és tömegek összegének azonosnak kell lenni. A megfelelő egyenletekből megkapjuk az ismeretlen elem töltésszámát és tömegszámát.

Összegezés

A mag vagy elemi részecskék azon kölcsönhatását, aminek következtében a kiindulásiaktól eltérő részecskék jönnek létre, nukleáris reakciónak nevezzük. A nukleáris reakciók során, csakúgy mint a Világegyetemben végbemenő bármilyen jelenség esetében, teljesülnek a megmaradási törvények: az elektromos töltés megmaradásának törvénye, az energia- és tömegmegmaradás törvénye, az impulzusmegmaradás törvénye, a tömegszám megmaradásának törvénye.

A nukleáris reakciók segítségével állíthatók elő a gyógyászatban, mező-gazdaságban, energiagazdálkodásban alkalmazott mesterséges radioaktív izotópok.

Az ionizáló sugárzás érzékelésére és teljesítményének meghatározására fotoemulziós réteget, szcintillációs számlálót, buborékkamrát, Wilson-kamrát és ionizációs kamrát alkalmaznak.

Az ionizáló sugárzás mennyiségének meghatározására dózismérőket használnak.

Ellenőrző kérdések

1. Mit nevezünk nukleáris reakciónak? 2. Ki, és mikor hajtotta végre az első nukleáris reakciót? 3. Milyen általatok is ismert megmaradási törvények teljesülnek a nukleáris reakciók során? 4. Ki hozott létre elsőként mesterséges radioaktív izotópot? 5. Soroljatok fel példákat a természetes és mesterséges radioaktív izotópok alkalmazására! 6. Milyen, a radioaktív sugárzás mérésére és érzékelésére szolgáló műszereket ismertek? Mi ezeknek a műszereknek a működési elve?

41. gyakorlat

1. Milyen detektor - szcintillációs, nyomvonalas vagy impulzív — a fotoemulziós réteg?

2. A

radionuklid neutronokkal való sugárzásának eredményeként

atomok keletkeztek. írjatok fel a nukleáris reakció egyenletet! Pótoljátok a hiányzó tényezó'ket a magreakciókban!

Miután a nitrogén

izotópot neutronokkal bombázták, P”-radioaktív szén

izotópot kaptak. írjátok le mindkét reakció egyenletét!

5. Határozzátok meg az ókori település életkorát (ezer években), ha az ásatások során eló'került faanyagban a radioaktív

szén kezdeti mennyiségének a

12,5%-a maradt meg!

6. Úgy tartják, hogy a teljes atomiparból az emberiség számára a legnagyobb hasznot a radioaktív izotópok felhasználása jelenti. Alkossatok csapatokat, válasszatok mindegyik csapat számára a radioizotópok alkalmazásának egy területét (gyógyászat, tudomány, biológia), és folytassatok vitát a következő' témában: A mi ágazatunk nem létezhet radioaktív izotópok nélküli

7. Magyarázzátok el azokat az okokat, amelyek miatt, lakóhelyetektől függetlenül, mindig radioaktív hatásnak vagytok kitéve!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev