Prąd elektryczny w ciałach stałych, cieczach i gazach

XXVIII
Reakcje jądrowe i cząstki elementarne - część II
przemiany jądrowe – naturalne i sztuczne, promieniotwórczość naturalna, reakcje
wywołane przez cząstki, reakcje rozszczepienia i syntezy, energetyka jądrowa, reaktor,
cząstki elementarne, anihilacja materii, energia gwiazd, energia i masa we
wszechświecie
Na początek
w zadaniach 1 – 15 podsumujemy i rozszerzymy naszą wiedzę o
rodzajach przemian jądrowych. Są to następujące przemiany:
 naturalny rozpad promieniotwórczy (dotyczy to głównie izotopów pierwiastków o
liczbach porządkowych Z > 82, ale nie tylko!)
 sztuczne przemiany promieniotwórcze wywołane przez cząstki tj. neutrony, protony,
 (alfa)
 reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich, głównie uranu i plutonu
 reakcje termonuklearne, fuzji (syntezy jądrowej)
W poniższych zadaniach prawdziwa jest tylko jedna odpowiedź.
1. Jądro 226
88 Ra ulega 3-krotnie rozpadowi , następnie rozpadowi  . Rozpadom towarzyszy
emisja 2 kwantów promieniowania . Korzystając z układu okresowego pierwiastków napisz
równania reakcji. Na końcu otrzymujemy pierwiastek:
a) 208
82 Pb
b)
214
86
Rn
c)
214
83
Bi
d)
208
83
Bi
216
85
At
e)
Do czasochłonnych obliczeń poniższych zadań powinno się zastosować arkusz kalkulacyjny
226
2. Czas połowicznego zaniku radu 226
88 Ra wynosi 1600 lat. Ilość radu 88 Ra , jaka
pozostanie po upływie 8000 lat w próbce zawierającej początkowo 1 g radu, wynosi w
przybliżeniu:
a) 0,81020 atomów
b) 5,21015 atomów
c) 1,71025 atomów
d) 4,21023 atomów
e) 7,71017 atomów
3. Aktywność próbki 1g radu 226
88 Ra z poprzedniego zadania i na początku i po upływie 8000 lat
wynosi około:
a) 6 kBq i 0,2 kBq
b) 36 GBq i 1,1 GBq
c) 13,2 MBq i 0,4 MBq
d) 0,36 1015 Bq 0,111014
e) 0,36 105 Bq 0,11104
4. Promieniotwórczy izotop 116C emituje pozyton (rozpad +), w wyniku czego powstaje:
a)
12
6
C
b)
11
7
N
c)
11
5
B
d)
10
6
C
e)
12
7
N
5. Sztuczną reakcję jądrową 37 Li  11p  2 24 He , wywołaną szybkimi protonami,
przyspieszonymi w akceleratorze, przeprowadzili w 1932 roku fizycy angielscy
Cockcroft i Walter. Deficyt masy w tej reakcji wynosi (masa jądra litu 37 Li wynosi
7,016012 u) w przybliżeniu:
a) –0,0006751u
b) + 0,080185u
c) + 0,052063u
d) - 0,006135u
e) + 0,018635u
6. Energia reakcji jądrowej wywołanej przez wolne neutrony, zachodzącej wg poniższego
schematu wynosi w przybliżeniu ( masa jądra litu 36 Li wynosi 6,015126 u):
6
3
a)
b)
c)
d)
e)
Li  01n 31T  24He
0,3 MeV
4,8 MeV
8,7 keV
0,12 MeV
0,7 GeV
Poniższa tabela przedstawia dane potrzebne do obliczania energii reakcji jądrowych
Z
A
Masa (u)
n
0
1
1.0086654
E
(MeV)
---
H
1
1
1.0078252
---
---
H
1
2
2.0141022
2.22
1.11
H
1
3
3.0160500
8.47
2.83
He
2
3
3.0160299
7.72
2.57
1
0
1
1
2
1
3
1
E/A
---
3
2
4
2
6
3
He
2
4
4.0026033
28.3
7.07
Li
3
6
6.015126
31,97
5.33
7
3
LI
3
7
7.0160110
39.2
5.6
12
6
14
7
C
6
12
12.000000
92.2
7.68
N
7
14
14.00307
104.61
7,77
16
8
O
8
16
15.994915
127.5
7.97
17
8
O
8
17
16.999133
131.7
7,746
Cu
29
63
62.929594
552
8.50
Zr
40
94
93.88412
834.9
8.88
Ce
63
29
94
40
140
58
58
140
139.87341
1201.9
8.58
235
92
U
92
235
7.78
U
92
238
234.99331
238.05076
1830.1
238
92
1803
7.58
7. Skrócony zapis pierwszej reakcji jądrowej Rutherforda, wywołanej przez przyspieszone
cząstki alfa można przedstawić schematycznie następująco 14 N ( , n)17O . Minimalna
energia jaką muszą mieć cząstki alfa tuż przed wniknięciem do jądra powinna wynosić w
przybliżeniu:
a) 0,3 eV
b) 5,4 keV
c) 32 keV
d) 1,3 MeV
27
4
30
13 Al  2 He 15 P  x
e) 0,19 MeV
9
4
12
4 Be  2 He  6 C  x
8. Obok przedstawione są przemiany jądrowe wywołane przez
14
cząstki. Jedna z cząstek oznaczona jest jako x. Cząstki
N (n, x)14C
oznaczone jako x w kolejnych reakcjach to:
7
Li( p, x) 8Be
a) , -, p, p, 
6
b) n, n, , , p
Li( x,2 )
c) p, n, , , d
d) n, p, , , n
e) n, n, +, , d
9. Reakcja rozszczepienia jądra uranu przez wolne neutrony w reaktorze jądrowym
1
140
94
1
zachodzi wg następującego schematu: 235
92 U  0 n  58 Ce 40 Zr  2 0 n  E . Deficyt masy i
energia wydzielająca się w czasie reakcji wynoszą w przybliżeniu odpowiednio:
a) 0,003 u i 0,83 MeV
b) 45 u i 1250MeV
c) 0,0022 u i 825 keV
d) 0,22 u i 208 MeV
e) 0,0013 u i 91keV
10. Elektrownia jądrowa niedużej mocy 28,5 MW zużywa w czasie jednej doby paliwo
jądrowe w postaci uranu 235
92 U w ilości około:
a) 5,2 kg
b) 30 g
c) 8,2 ton
d) 3 mg
e) 0,85 kg
11. Na temat reakcji rozszczepienia nie jest słuszne stwierdzenie:
a) reakcje rozszczepienia są reakcjami jądrowymi sztucznymi i nie zachodzą
samorzutnie w przyrodzie
b) musi istnieć minimalna masa substancji ulegającej rozszczepieniu tzw. masa
krytyczna, konieczna do zapoczątkowania reakcji rozszczepienia
c) reakcje rozszczepienia można kontrolować tak aby nie zaszła gwałtowna reakcja
lawinowa jak w bombie atomowej, pochłaniając „rozmnażające się” neutrony
przy pomocy moderatorów np. prętów kadmowych
d) uran 235
92 U jest „lepszym” i chętniej stosowanym paliwem jądrowym niż
238
pluton 244
94 Pu , czy uran 92 U
e) woda ciężka jest konieczna w reaktorze (czy bombie atomowej), gdyż służy do
spowolnienia reakcji jądrowej gdyż wychwytuje neutrony swobodne nie
pozwalając się im „rozmnażać”
12. Którą z poniższych pięciu reakcji jądrowych można uznać jako reakcję termonuklearną:
I 411p24He  2e   2  2
II 147 N  24He 178 O 11H
222
4
III 226
88 Ra  86 Rn  2 He
1
198
1
IV 198
80 Hg  0 n  79 Au  1 H
~
V 01 n 11H  10 e   e
VI
3
1
H (d , n) 24 He - gdzie d, to jądro deuteru (deuteron)
a) reakcja II, III, VI
b) reakcja I, V
c) reakcja I, VI
d) reakcja I, IV, VI
e) reakcja III, IV, V
13. Na temat reakcji rozszczepienia i syntezy jądrowej nie jest również słuszne następujące
stwierdzenie:
a) odkrywcą bomby wodorowej był Albert Einstein, przeprowadził bowiem
eksperymentalnie pierwszą reakcję termonuklearną udowadniając po raz pierwszy
przemianę masy w energię
b) reakcje termonuklearne polegające głównie na przemianie wodoru w hel
zachodzą we wnętrzu gwiazd
c) reakcję termonuklearną nie wykorzystano do tej pory do wytwarzania energii w
elektrowniach jądrowych, a jedynie w bombie wodorowej
d) do zapoczątkowania reakcji syntezy (fuzji) jądrowej konieczna jest wysoka
temperatura rzędu kilku milionów stopni w skali Kelvina
e) reakcje termonuklearne są bardziej energetyczne niż reakcje rozszczepienia,
wydziela się bowiem podczas ich przebiegu znacznie więcej energii
14. Energia E termonuklearnej reakcji jądrowej: p + d  3He + E wynosi:
a) 1,8 keV
b) 45,3 MeV
c) 7,7 MeV
d) 186,5 keV
e) 0, 13 MeV
15. Reakcję termonuklearną w wyniku której powstaje energia Słońca oraz większości gwiazd
przebiega wieloetapowo, ale można ją sumarycznie zapisać następująco:
411p24He  2e   2  2
ubytek masy tej reakcji (dla ułatwienia pomijając względnie niewielkie masy i energie
pozytonu, neutrino i kwantu gamma) wynosi:
a) 0,72 u
b) 4810-30kg
c) 3,310-12kg
d) 0,5210-17kg
e) 2,610-5 u
16. Biorąc pod uwagę wynik poprzedniego zadania, ilość energii jaka może powstać w czasie
takiej reakcji z jednego mola wodoru wynosi:
a) 0,9 MeV
b) 43,2 10-17J
c) 34,7 MeV
d) 6,7 GeV
e) 6,7 1017J
17. Moc promieniowania Słońca wynosi 3,851026 W. Odpowiada to ubytkowi masy słońca około:
a) 42,3 kg/s
b) 4230 kg/s
c) 4230 ton/s
d) 4,3 kg/s
e) 4,23 ton/s
18. Wzór przedstawiający anihilację materii oraz efekt tej reakcji można określić następująco:
a)
1
0
~
n11 p  10 e   , po rozpadzie protonu wydziela się anty-neutrino o dużej energii
1
1
b)
p  10e01n   , kwant gamma ma olbrzymią energię 7,1 keV
~
c)    10 e  2   , mezon   rozpada się na pozyton i dwa neutrina oraz jedno antyneutrino
d) 11 e 10 e  2 , powstają dwa jednakowe kwanty gamma o dużej energii
e) 11 p 01 n 10 e   , znika proton, a w jego miejsce powstają 3 cząstki
19. Zakładając, że w czasie anihilacji pozytonu z elektronem powstają dwa jednakowe kwanty
gamma, długość fali tych kwantów wynosi około:
a) 0,24 pm
b) 1,510-15m
c) 4,8 m
d) 8,3510-14m
e) 52,4 nm
20. Energia spoczynkowa elektronu wynosi 0,511 MeV. Kreacja pary elektron pozyton w próżni
nastąpi wtedy gdy:
a) energia fotonu E  1,022 MeV
b) energia fotonu E <1,022 MeV
c) energia fotonu E > 21,022 MeV
d) energia 2 fotonów po E= 0,511 MeV każdy
e) energia fotonu E > 41,022 MeV
21. Spoczywający mezon 0 ( energia spoczynkowa 135 MeV) rozpada się na dwa kwanty
promieniowania . Długość fali promieniowania  ma wartość:
a) 2,9 10-7 m
b) 1,6 10-13 m
c) 1,8 10-10 m
d) 1,8 10--14 m
e) 5,4 10-11 m
22. Poruszający się neutron traci najwięcej energii podczas zderzenia z nieruchomym jądrem:
a) 235U
b)
137
c)
12
d)
1
H
e)
4
He
Ba
C
23. Barionami są:
a) elektron, proton, neutrino
b) proton, antyproton, neutron
c) elektron, proton, neutron
d) pozyton, antyproton, anty-neutrino
e) kwant gamma, pozyton, hiperon
24. Z czterech stwierdzeń::
1. do leptonów należą: neutrino, elektron, i mion oraz ich antycząstki
2. do barionów należą proton, neutron, ich antycząstki, oraz hiperony
3. foton jest cząstką elementarną o masie spoczynkowej i ładunku równym zero
4. do mezonów zaliczamy piony i kaony
prawdziwe są:
a) 1 i 2
b) 2, 3 i 4
c) 1, 3 i 4
d) 1, 2 i 3
e) wszystkie
25. Przy dawce pochłoniętej promieniowania, biologiczne skutki działania:
a) cząstek  są około 20 razy większe niż promieniowania X
b) promieniowania  są największe
c) elektronów są największe
d) neutronów są najmniejsze
e) promieniowania  są największe
26. Jeden siwert równy jest jednemu grejowi dla:
a) wszystkich rodzajów promieniowania
b) cząstek 
c) neutronów
d) protonów
e) promieniowania X i 
27. Wymiarem greja jest:
m
a) 2
s
m2
b)
s2
s2
c)
m2
kg  m
d)
s2
J m
e)
s2
28. Dla pracowników bezpośrednio narażonych na promieniowanie, kwartalna dawka nie powinna
przekraczać:
a) 5 remów
b) 1,3 rema
c) 2,5 remów
d) 34 remy
e) 1,8 rema