Transcript VY_32_INOVACE_170314_Jaderna_energie_DUM

21. dubna 2013
VY_32_INOVACE_170314_Jaderna_energie_DUM
JADERNÁ ENERGIE
Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Mgr. Miroslava Víchová.
Obchodní akademie a Střední odborná škola logistická, Opava, příspěvková organizace.
Materiál byl vytvořen v rámci projektu OP VK 1.5 – EU peníze středním školám,
registrační číslo CZ.1.07/1.5.00/34.0809.
1. Izotopy
2. Stabilita jádra
3. Radioaktivní rozpad
4. Štěpná jaderná
reakce
5. Jaderná fúze
Izotopy
Jádra stejného prvku mají stejný počet protonů, ale mohou mít
rozdílný počet neutronů. Mají stejné protonové číslo Z, ale liší se
nukleonovým číslem A.
• Vodík má tři izotopy
•1
1
H  protium
2
1
H  deuterium ( 1D )
3
1
H  tritium ( 1T )
2
- běžný vodík
Obr.1
3
dále
Izotopy
Protium je tvořeno jedním protonem a jedním neutronem a je nejlehčím
atomem ve vesmíru.
Deuterium má jeden proton, jeden neutron a jeden elektron, tedy je těžší
než protium. Protium a deuterium jsou stabilní izotopy vodíku.
V průměru připadá na každý atom deuteria 6000 atomů protia.
Obr.2
Tritium obsahuje jeden proton, dva neutrony a
jeden elektron. Je radioaktivní. Při svém rozpadu
produkuje elektrony a antineutrino, vzniká jádro
3He. Jedná se o β zářič.
Nebezpečnost tritia je minimální. Jeho záření
zastaví 6mm silná vrstva vzduchu. Určité nebezpečí
hrozí při vdechování. Používá se jako zdroj trvalého
stálého světla (mířidla zbraní a nouzové svítilny).
dále
Izotopy
Izotopy uhlíku
• uhlík má tři izotopy
12
6
C  uhlík 12
13
6
C  uhlík 13
14
6
C  uhlík 14
dále
Izotopy
Uhlík 12 se vyskytuje v 98%, uhlík 13 v 1,1%. Reakci atomu dusíku s
kosmickým záření vzniká uhlík 14, který se rozpadá za vzniku záření
β. Poměr všech tří izotopů je v přírodě konstantní.
Kyslík má tři stabilní izotopy
16
8
O
se vyskytuje v 99,7%
17
8
O
se vyskytuje v 0,03%
18
8
O
se vyskytuje v 0,21%
dále
Izotopy
Některé prvky mají pouze jeden izotop, např. F, Na, Al, P, Co, Au.
Naopak největší počet izotopů (10) má cín (Sn).
Tabulka izotopů na Wikipedii
zpět na obsah
další kapitola
Stabilita jádra
Lehká stabilní jádra
• mají nukleonové číslo menší než 20
• obsahují přibližně stejný počet protonů a neutronů (H, He, Ne, Ca)
Těžší jádra
• mají větší počet neutronů než protonů
• mohou být nestabilní
Nejtěžší stabilní izotop má 83Bi. Prvky s protonovým číslem větším
než 83 jsou nestabilní. V přírodě existuje 270 stabilních izotopů a 70
nestabilních – radioaktivních izotopů.
dále
Stabilita jádra
Zvlášť stabilní jádra mají počty protonů a neutronů: 2, 8, 20, 28, 50,
82, 126. Jsou to tzv. magická čísla. Atomy mají uzavřené protonové a
neutronové slupky.
Jsou to např.:
4
2
He
16
8
O
48
20
Ca
208
82
Pb
Pokud jsou radioaktivní, tak mají dlouhý poločas rozpadu.
zpět na obsah
další kapitola
Radioaktivní rozpad
Kvantová mechanika dovede pro každý izotop spočítat časovou
pravděpodobnost rozpadu. Radionuklidy se nemusí vždy rozpadat
rovnou na stabilní jádro. Při rozpadu vyzařují částice α nebo β, jádra s
nadbytkem energie emitují částice γ.
Rozpadová řada popisuje radioaktivní
rozpad nestabilních jader těžkých prvků.
Jsou známy tři přírodní a jedna umělá
rozpadová řada.
Obr.3
Uranová rozpadová řada
• začíná rozpadem
izotopem 206Pb
238U
a končí stabilním
dále
Radioaktivní rozpad
Aktinio – uranová rozpadová řada
• začíná rozpadem 235U a končí u izotopu olova 207Pb
Obr.4
dále
Radioaktivní rozpad
Thoriová rozpadová řada
• začíná 232Th a končí 208Pb
Obr.5
dále
Radioaktivní rozpad
Neptuniová rozpadová řada (umělá)
• začíná 238Np a končí 205Tl
Obr.6
dále
Radioaktivní rozpad
Poločas rozpadu
• doba, za kterou se rozpadne právě polovina jader
• je pro daný izotop konstantní
• může mít hodnotu od zlomku sekundy až po milion let
Obr.7
Poločas přeměny na Wikipedii
dále
Radioaktivní rozpad
Při radioaktivním rozpadu A se nukleové číslo snižuje o čtyři, při
rozpadu B zůstává zachováno.
Obr.8
zpět na obsah
další kapitola
Štěpná jaderná reakce
• dochází k rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice
(většinou neutronu) za uvolnění energie
• probíhá např. u 235U
Princip štěpení
• neutron pronikne do jádra a předá energii, jádro se rozkmitá a
rozpadne se na dvě menší jádra
• uvolní se 2-3 rychlé neutrony
• k další štěpné reakci je nutné neutrony zpomalit (moderovat)
pomocí srážek (voda)
• je nutné též regulovat počet neutronů, aby nedošlo k neřízené
prudké reakci, výbuchu (používá se kyselina boritá, která se
přidává do chladiva)
dále
Štěpná jaderná reakce
Obr.9
Poprvé bylo jaderné štěpení uskutečněno v roce 1938 německými
fyziky O. Hahnem a
F. Strassmannem u 235U.
Za tento objev jim byla udělena
Nobelova cena v roce 1945.
Historie štěpná reakce na Wikipedii
zpět na obsah
další kapitola
Jaderná fúze
Nejjednodušší fúzí je spojování jader vodíku na jádra deuteria.
1
1
H 1H  1 H  e
1
2

 neutrino
 0 ,42 MeV
Reakce pokračuje dál
1
1
H 1H 
2
3
2
He    5 ,49 MeV
Tyto reakce probíhají např. ve Slunci.
dále
Jaderná fúze
Termonukleární fúze
Obr.10
Při syntéze jader se uvolňuje velké
množství energie. Proti slučování
jader působí elektricky odpudivá
interakce (obě jádra jsou kladně
nabitá). Je třeba dosáhnou vysoké
teploty (miliony K) a tlaku, pak mohou
jádra na sebe narazit.
zpět na obsah
konec
POUŽITÁ LITERATURA
ŠTOLL, Ivan. Fyzika pro netechnické obory SOŠ a SOU. Praha: Prometheus,
2003. ISBN 80-7196-223-6
CITACE ZDROJŮ
Obr. 1 DIRK HÜNNIGER. File:Protium deuterium tritium.jpg: Wikimedia Commons [online]. 29
August 2006 [cit. 2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/Protium_deuterium_tritium.jpg
Obr. 2 AUTOPILOT. Soubor:Tritium-watch.jpg Skočit na: Navigace, Hledání: Wikimedia Commons
[online]. 22 July 2007 [cit. 2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/09/Tritium-watch.jpg
Obr. 3 PAJS. Soubor:Uranova rada.svg: Wikimedia Commons [online]. 11 September 2007 [cit.
2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Uranova_rada.svg
Obr. 4 PAJS. Soubor:Aktiniova rada.svg: Wikimedia Commons [online]. 11 September 2007 [cit.
2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/Aktiniova_rada.svg
Obr. 5 PAJS. Soubor:Thoriova rada.svg: Wikimedia Commons [online]. 7 July 2009 [cit. 2013-0421]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Thoriova_rada.svg
Obr. 6 PAJS. Soubor:Neptuniova rada.svg: Wikimedia Commons [online]. 28 September 2009 [cit.
2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Neptuniova_rada.svg
CITACE ZDROJŮ
Obr. 7 SBYRNES321. Soubor:Halflife-sim.gif: Wikimedia Commons [online]. 28 January 2010 [cit.
2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Halflife-sim.gif
Obr. 8 BENRG. Soubor:Isotopes and half-life.svg: Wikimedia Commons [online]. 26 September
2009 [cit. 2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/Isotopes_and_half-life.svg
Obr. 9 KERNZERFALL.PNG. Soubor:Kernzerfall.svg: Wikimedia Commons [online]. 6 February
2010 [cit. 2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Kernzerfall.svg
Obr. 10 WYKIS. Soubor:Deuterium-tritium fusion.svg: Wikimedia Commons [online]. 7 May 2007
[cit. 2013-04-21]. Dostupné pod licencí Creative Commons z:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/Deuterium-tritium_fusion.svg
Pro vytvoření DUM byl použit Microsoft PowerPoint 2010.
Děkuji za pozornost.
Miroslava Víchová