1 7. Атомне ядро. Радіоактивність. Ядерні реакції

Усна розминка

1. Чи існує атомне ядро, заряд якого дорівнює 10^-19 Кл?

2. У ядрі атома хімічного елемента 23 протони та 28нейтронів. Назвіть цей елемент.

3. Ядро якого елемента містить 14 протонів і 14 нейтронів?

4. Чим відрізняються за складом ядра ізотопів Берилію — і ?

5. Визначте кількість протонів і нейтронів, які входять до складу ядер атомів ізотопів Магнію-24 і Магнію-26.

6. Назвіть хімічний елемент, ядро атома якого містить: а) 7 про­тонів; б) 18 протонів; в) 51 протон; г) 101 протон.

7. .Які сили утримують нуклони в атомному ядрі? намагаються зруйнувати ядро?

8. Вільні протони та нейтрони об'єдналися, утворивши атомне ядро. Як змінилася маса системи?

9. Яке ядро не має енергії зв'язку?

10. Яка природа α-, β-, γ-випромінювання? Яка їх проникна здатність?

11. Як змінюються маса та заряд ядра внаслідок випроміню­вання α-частинки?

12. Як змінюються маса та заряд ядра внаслідок випроміню­вання β-частинки?

13. Чи змінюється хімічна природа елемента внаслідок випро­мінювання γ-квантів ядрами його атомів?

14. Чому радіоактивність Урану практично не змінюється за кілька років?

15. У скільки разів зменшується кількість атомів радіоактивного елемента за два періоди піврозпаду? за п'ять періодів піврозпаду? за десять періодів піврозпаду?

16. Чому ланцюгова ядерна реакція поділу можлива лише за достатньої кількості речовини, яка ділиться?

17. Яку функцію виконують графіт і вода в ядерних реакторах?

18. Навіщо в ядерному реакторі застосовують поглиначі ней­тронів?

19. Де в природі відбуваються термоядерні реакції?

Перший рівень

20. У ядрі атома хімічного елемента 22 протони і 26 нейтронів. Назвіть цей елемент.

21. Н а рисунках схематично показано деякі ядра. Які з них належать різним ізотопам одного хімічного елемента? Назвіть відповідні ізотопи.

22. Використовуючи періодичну систему хімічних елементів, визначте кількість протонів, нейтронів і електронів у атомах Карбону, Флуору, Галію, Молібдену.

23. Використовуючи періодичну систему хімічних елементів, визначте кількість протонів, нейтронів і електронів у атомах Нітрогену, Фосфору, Індію, Кадмію.

24. Використовуючи періодичну систему хімічних елементів, назвіть ядра, що містять однакову кількість протонів і нейтро­нів.

25. Заряди ядер атомів хімічних елементів дорівнюють відпо­відно 4·10-¹⁸, 5,6·10-¹⁸ і 8,8·10-¹⁸ Кл.Назвіть ці хімічні еле­менти.

26. Визначте заряди ядер атомів хімічних елементів з порядко­вими номерами 1 і 20.

27. У яке ядро перетворюється ядро Натрію-22 внаслідок β-розпаду?

28. Яке ядро утвориться внаслідок α-розпаду Полонію-212?

29. Ядро утворилося після двох послідовних α-розпадів. З якого ядра воно утворилося?

30. Під час β-розпаду з ядра Плюмбуму-210 вилітають електрон і антинейтрино. Яке ядро утворюється в результаті β-розпаду?

31. В ипромінювання радіоактивного препарату, що міститься на дні каналу в шматку свинцю, розщеплюється в магнітному полі на три пучки (див. рисунок). Який із цих пучків утворений α-частинками? Β-частинками? Γ-випромінюванням?

32. Нейтрон уперше було виділено з ядра атома в результаті бомбардування α-частинками Берилію Запишіть рівняння відповідної ядерної реакції.

33. У результаті опромінення мішені протонами утворюється Магній-24 і вилітають α-частинки. Запишіть рівняння ядерної реакції, що відбувається.

34. Під час опромінення ядрами Дейтерію мішені з Молібде- ну-95 спостерігається виліт нейтронів. Запишіть рівняння ядер­ної реакції, що відбувається.

35. Під час бомбардування Літію протонами певної енергії утворюється Берилій Яка частинка вилітає внаслідок реакції? Запишіть рівняння реакції.

36. Допишіть рівняння ядерної реакції: + →? +

37. Допишіть рівняння ядерної реакції: +? → +

38. Період піврозпаду Йоду-131 — 8 діб. Скільки відсотків від початкової кількості атомів Йоду-131 залишиться через 24 доби?

39. Період піврозпаду Селену-75 — 120 діб. Скільки відсотків атомів цього ізотопу розпадеться за 840 діб?

40. Активність радіоактивного елемента зменшилася в 4 рази за 8 діб. Визначте період піврозпаду.

41. Активність радіоактивного елемента зменшилася у 8 разів за 1,5 год. Визначте період піврозпаду.

42. Сумарна маса продуктів ядерної реакції на 0,015 а.о.м. менша від сумарної маси вихідних ядер і частинок. Визначте енергетичний вихід цієї ядерної реакції.

43. Сумарна маса продуктів ядерної реакції виявилася на 0,025 а.о.м. більшою за сумарну масу вихідних ядер і частинок. Визначте енергетичний вихід цієї ядерної реакції.

44. Унаслідок утворення ядра атома Гелію з двох ядер Дейтерію вивільняється енергія 24 МеВ. На скільки зменшила­ся маса речовини в цьому процесі?

45. Тіло людини масою 90 кг протягом року поглинуло радіоак­тивне випромінювання з енергією 0,18 Дж. Визначте поглинуту дозу випромінювання.

46. Тіло людини масою 75 кг протягом року поглинуло радіоак­тивне випромінювання з енергією 0,3 Дж. Визначте поглинуту дозу випромінювання.

Другий рівень

Приклад розв’язання задачі. Унаслідок α-розпаду нерухомого ядра Радію-226 утворюється ядро Радону-222. Визначте швидкість ядра Радону. Дано: MRa= 226, 024335 а.о.м MRn = 222,01922 а.о.м. MHe 4,00260 а.о.м. Розв’язання. Унаслідок розпаду ядра виділяється енергія Е = ∆m·c2, де ∆m – різниця між масою ядра Радію і сумарною масою двох ядер, що утворилися: ∆m = (mRa)я- (mRn)я-(mHe)я = (mRn-86me) - (mHe-2me) - vRn - ? (mRa-88me) = mRa - mRn - mHe = 2,53·10-3 а.о.м. Ми врахували, що для визначення маси ядра треба відняти від маси атома масу всіх його електронів. Відповідно до закону збереження імпульсу ядра, що утворилися, розлітаються в про­тилежних напрямах з однаковими за модулем імпульсами: mRn vRn = mHe vHe. Із закону збереження енергії одержуємо Перевіримо одиниці вимірювання: . Підстаимо числові значення: (м/с). Відповідь: 190 км/с

17.47.? Вузький пучок β-випромінювання в однорідному магнітному полі помітно розширюється. Про що це свідчить?

І7.48. ? Чому розпад і поділ важких ядер відбуваються за будь якої температури, а реакції синтезу легких ядер — тільки за достатньо високих температур?

49. Яка головна перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона?

50. Ядра атомів Торію зазнають 3 послідовних α-розпадів. Ядра якого елемента утворюються після розпадів?

51. Ядра атомів Урану зазнають двох послідовних β-розпадів та одного α-розпаду. Ядра якого елемента утворюються після розпадів?

52. Радіоактивне ядро перетворилося на ядро Скіль­ки відбулося α i β розпадів у ході цього перетворення?

53. Скільки α i β-розпадів має відбутися, щоб ядро Торію-232 пе­ретворилося на ядро Плюмбуму-208?

54. Визначте дефект мас ядра Нітрогену

55. Визначте дефект мас ядра Літію

56. Обчисліть енергію зв'язку ядра атома Дейтерію.

57. Визначте енергію зв'язку ядра

58. Визначте енергію зв'язку ядра Карбону-13.

59. Яка питома енергія зв'язку ядра Алюмінію

60. Яка питома енергія зв'язку ядра Радію

61. Енергія зв'язку ядра Гелію-3 дорівнює 7,7 МеВ, а ядра ато­ма Дейтерію — 2,2MeB. Визначте енергетичний вихід ядерної реакції .

62. Визначте енергетичний вихід ядерної реакції .

63. Визначте енергетичний вихід ядерної реакції .

64. Яка енергія виділяється внаслідок термоядерної реакції ?

65. Визначте енергетичний вихід ядерної реакції, унаслідок якої вперше було виділено нейтрон (див. задачу 17.32).

66. Виділяється чи поглинається енергія в ядерній реакції ?

17.67. ?Чи дозволяє закон радіоактивного розпаду передбачити момент розпаду даного ядра?

68. ?У чому виявляється статистичний характер закону радіо­активного розпаду?

69. ? Який період піврозпаду радіоактивного ізотопу, якщо за 12 год у середньому розпадається 7500 із 8000 атомів цього ізотопу?

70. Період піврозпаду радіоактивного ізотопу дорівнює 20 хв. Через який час у зразку масою 4 г залишиться 500 мг даного радіоактивного ізотопу?

71. Період піврозпаду Цезію-134 дорівнює 2 роки. За який час кількість цього ізотопу в зразку зменшується у 8000 разів?

72. Чому для здійснення ланцюгової ядерної реакції недо­статньо одержати хімічно чистий уран, а необхідно збагатити його ізотопом Урану-235?

17.73 Яке ядро з однаковою кількістю нейтронів і протонів має радіус в 1,5 раза менший, ніж ядро ?Уважайте ядра атомів однорідними кулями з однаковою густиною.

Третій рівень

74. . Чому α-частинки, які випромінюють радіоактивні препара­ти, не можуть спричинити перетворень ядер важких елементів?

75. Чому зберігання природного урану не пов'язане з небез­пекою вибуху?

76. Один-єдиний нейтрон може спричинити у зразку Ура­ну-235 ланцюгову реакцію з виділенням величезної енергії. Звідки може з'явитися нейтрон у цьому зразку?

1 7.77. На рисунку показано трек частинки, що рухалася в од­норідному магнітному полі з магнітною індукцією 100 мТл. Вектор магнітної індукції поля напрямлений перпендикулярно до площини рисунку. Відстань між лініями сітки на рисунку дорівнює 1 см. Визначте швидкість частинки.

78. На рисунку показано трек протона, що після розгону в електричному полі рухався в однорідному магнітному полі з магнітною індукцією 0,6 Тл. Магнітне поле напрямлене пер­пендикулярно до площини рисунку, відстань між лініями сітки на рисунку дорівнює 5 мм. Визначте прискорюючу напругу.

79. Показану на рисунку фотографію отримали в камері Віль- сона, заповненій водяною парою. Яка частинка могла пролетіти через камеру Вільсона? Стрілкою показано напрям початкової швидкості частинки.

1 7.80. На рисунку показано треки двох частинок, що рухалися з однаковими швидкостями в однорідному магнітному полі, пер­пендикулярному до площини рисунку. Перший трек належить ядру Дейтерію. Якій частинці може належати другий трек?

17.81. На рисунку показано треки двох частинок, що рухалися в однорідному магнітному полі, перпендикулярному до площини рисунку. Перший трек належить ядру Дейтерію. Якій частинці може належати другий трек, якщо обидві частинки пройшли однакову прискорюючу напругу?

82. Н а рисунку показано трек електрона, отри­маний за допомогою камери Вільсона. На скільки відсотків зменшилася кінетична енергія електрона, коли він пролетів крізь тонку свинцеву пластин­ку? Камера Вільсона знаходиться в однорідному магнітному полі, перпендикулярному до площини рисунку.

83. Одна з α-частинок у досліді Резерфорда після взаємодії з ядром Ауруму змінила напрям руху на протилежний. Якою була її швидкість у момент найбільшого зближення з ядром, якщо початкова швидкість α частинок дорівнювала 20 000 км/с?

84. Протон, що рухався зі швидкістю v₀ = 500 км/с, зіткнув­ся з нерухомим ядром. У результаті пружного зіткнення напрям руху протона змінився на протилежний, а модуль його швидко­сті зменшився до v = 400 км/с. 3 яким ядром могло відбутися це зіткнення?

85. Кінетична енергія ядра Дейтерію після лобового пружного зіткнення зменшилася на 29,5 %. З ядром якого атома могло відбутися зіткнення?

86. У результаті пружного зіткнення з нерухомим ядром α-частинка змінила напрям руху на 60°. З яким ядром могло відбутися зіткнення, якщо після нього швидкість α-частинки зменшилася у 2 рази?

87. Період піврозпаду Фосфору-32 дорівнює 14 діб. На скільки від­сотків зменшується активність препарату Фосфору-32 за 20 діб?

88. Кількість атомів Урану-235 дорівнює 0,7 % від загальної кількості атомів Урану на Землі, решта — це атоми Урану-238. Скільки відсотків від загальної кількості Урану припадало на Уран-235 після виникнення Землі (4,5 мільярдів років тому)? Уважайте, що періоди піврозпаду Урану-235 і Урану-238 дорів­нюють відповідно 750 млн років і 4,5 млрд років.

89. Два зразки містили в початковий момент однакову кількість радіоактивних атомів. Через добу кількість радіоактивних атомів у першому зразку виявилося у 2 рази більшою, ніж у другому. Визначте період піврозпаду атомів другого зразка, якщо для атомів першого зразка він дорівнює 8 год.

90. Період піврозпаду Плутонію-238 Т = 86 років. У резуль­таті розпаду кожного ядра виділяється енергія E₀ = 5,5МеВ. Скільки енергії виділяється за t = 24год у зразку, що містить m = 10 мгПлутонію-238?

91. Визначте мінімальну частоту у-кванта, здатного «розбити» ядро Гелію-4 на два ядра Дейтерію.

92. Яку кінетичну енергію повинен мати протон, щоб «розбити» ядро Дейтерію на протон і нейтрон?

93. Скільки води можна нагріти від 20 до 100 °С і випарити за рахунок енергії, що виділяється під час поділу 9,4 г Урану-235? Уважайте, що в результаті кожного поділу ядра виділяється енергія 200 МеВ. Утрати енергії не враховуйте.

94. ККД атомної електростанції потужністю 600 МВт дорівнює 28 %. Визначте масу витраченого за добу ядерного пального (Урану-235). Уважайте, що в результаті кожного поділу ядра виділяється енергія 200 МеВ.

95. Визначте ККД атомної електростанції потужністю 500 МВт, яка щодоби витрачає 2,35 кг Урану-235. Уважайте, що в резуль­таті кожного поділу ядра виділяється енергія 200 МеВ.