Promieniotwórczość sztuczna, Schematy z Chemia

Pobierz Promieniotwórczość sztuczna i więcej Schematy w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Promieniotwórczość sztuczna

Wprowadzenie Przeczytaj Symulacja interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela

Obietnica energii z fuzji jądrowej wydaje się fantastyczna i niedostępna: to moc za Słońcem i gwiazdami. Iskra pojawia się, gdy jądra wodoru łączą się, stając się cięższymi atomami. Ogromny wybuch energii, uwolnionej w wyniku transformacji, tworzy światło słoneczne i warunki, które umożliwiły nasze stworzenie. Bez tego wszechświat byłby zimny, ciemny i martwy. Od lat 30. XX w. naukowcy próbują wykorzystać fuzję, myśląc, że może ona napędzać elektrownie elektryczne, a nawet wysyłać ludzi na inne planety. Czy rozwój badań naukowych nad sztuczną promieniotwórczością może zmienić świat?

Twoje cele

Scharakteryzujesz zjawisko sztucznej promieniotwórczości. Porównasz promieniotwórczość sztuczną z naturalną. Zastanowisz się, jakim przemianom ulegają atomy różnych pierwiastków promieniotwórczych. Ocenisz, jakie są wady i zalety sztucznej promieniotwórczości. Zaplanujesz przebieg przemiany jądrowej. Zaproponujesz równanie przemiany promieniotwórczej na podstawie opisu słownego.

Grzyb atomowy – efekt wybuchu bomby atomowej. Źródło: domena publiczna, dostępny w internecie: www.pixabay.com.

Promieniotwórczość sztuczna

W tabeli poniżej zestawiono podstawowe cząstki oraz ich symbole, pojawiające się w sztucznych i naturalnych przemianach jądrowych.

Pierwsza sztuczna reakcja jądrowa

Poprzez bombardowanie cząstkami alfa jąder azotu, Rutherford wytworzył tlen i protony (schemat poniżej). Dzięki tej obserwacji Rutherford doszedł do wniosku, że atomy jednego konkretnego pierwiastka mogą powstawać z atomów innego pierwiastka. Jeśli otrzymany element jest radioaktywny, wówczas proces ten nazywany jest sztucznie wywołaną promieniotwórczością.

Nazwa cząsteczki Symbol Liczba masowa

Ładunek elektryczny [e] alfa, helion α, 4 2 beta, beta minus, elektron, negaton

β, β , e, e

beta plus, pozyton β 0 + deuteron d, D 2 + gamma γ 0 0 neutron n 1 0 proton p, p , H 1 + tryton t, T 3 +

He

(^17) O

Powstawanie tlenu i protonów w efekcie bombardowania jądra azotu cząstkami alfa Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Rutherford był pierwszym badaczem, który otrzymał z innych jąder protony i izotop tlenu , który jest nieradioaktywny.

Odkrycie neutronu

Okazało się, że inne jądra (podobnie jak azot), bombardowane cząstkami alfa, mogą generować nowe stabilne bądź radioaktywne jądra. James Chadwick w 1932 r. wykorzystał cząstkę α i dokonał bombardowania jąder atomu berylu. Rezultatem tej przemiany było otrzymanie nieznanej wówczas cząstki – neutronu.

(^17) O

widzenia. Zakładał on, że chociaż atomy wydają się być stabilne, można je przekształcić w nowe atomy o różnych właściwościach chemicznych.

Sztuczne przemiany jądrowe

Reakcje jądrowe, stosowane do syntezy sztucznych radionuklidów, charakteryzują się ogromnymi energiami aktywacji. Trzy urządzenia są wykorzystywane do pokonania tych energii aktywacji: akceleratory liniowe, cyklotrony i reaktory jądrowe. Chociaż liczba możliwych reakcji jądrowych jest ogromna, reakcje jądrowe można sortować według typów. Oto kilka przykładów:

Źródło: GroMar Sp. z o.o., oprac. na podst. www.ilf.fizyka.pw.edu.pl, licencja: CC BY 3.0.

Ciekawostka

Jednym z ciekawszych przedsięwzięć w zakresie promieniotwórczości sztucznej jest projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). W 2006 roku zaplanowano budowę reaktora, który miał zbadać możliwości produkcji energii za pomocą fuzji termojądrowej. Taka sama reakcja jest źródłem energii w gwiazdach i na Słońcu. W ciągu 10 lat miał powstać na południu Francji reaktor, którego działanie oszacowano na 20 lat. Celem projektu ITER jest opracowanie metody radzenia sobie z wysokoenergetycznymi neutronami, a badanie silnego ich strumienia jest możliwe jedynie przy użyciu reagującej plazmy. Wykorzystanie mocy syntezy jądrowej jest celem ITER. Reaktor został zaprojektowany jako kluczowy krok eksperymentalny między dzisiejszymi maszynami do badań nad syntezą jądrową a przyszłymi elektrowniami termojądrowymi. Dzięki stworzeniu reaktora termojądrowego możliwa będzie całkowita rezygnacja z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi. W projekcie bierze udział większość państw z całego świata, w tym również Polska.

Słownik

elektrony konwersji

elektrony emitowane z atomu; są to elektrony orbitalne, którym zostaje przekazana energia wzbudzenia jądra atomowego;

promieniowanie γ

promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal na ogół mniejszej od 10 m, emitowane przez promieniotwórcze lub wzbudzone jądra atomowe podczas przemian jądrowych (promieniotwórczość, reakcja jądrowa)

cyklotron

pierwszy cykliczny akcelerator cząstek (protonów, jonów)

akcelerator cząstek naładowanych

urządzenie do przyspieszania naładowanych mikrocząstek, czyli do nadawania im wielkich energii kinetycznych

pierwiastki transuranowe

pierwiastki, których liczba atomowa Z jest większa od 92

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Encyklopedia PWN

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy ósmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Mac edukacja 2020.

Ćwiczenie 1

Ćwiczenie 2

Zaznacz prawidłową odpowiedź. Ciężkie jądro bombardowane przez pojedynczy neutron:

Jest jądrem stabilnym i nie ulega reakcji z neutronem.

Ulega rozpadowi na mniejsze fragmenty (dwa nowe jądra) o porównywalnych liczbach masowych.

Łączy się trwale z neutronem.

Rozpada się i emituje zawsze 1 neutron.

(^235) U

Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz Prawda lub Fałsz.

Prawda Fałsz W wyniku zderzenia dwóch jąder powstaje jądro. Promieniowanie gamma jest emitowane, gdy zderzeniu ulegają jądra oraz. W trakcie zderzenia jądra z jądrem emitowany jest pozyton. Podczas powstawania jądra emitowane jest neutrino.

(^1) H 2 H

(^1) H 2 H (^1) H (^3) He

(^4) He

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Podczas bombardowania izotopu berylu cząstkami α otrzymano izotop węgla. Zaznacz równanie, które w prawidłowy sposób opisuje przebieg tej reakcji.

9 4 Be

9 4 Be^ +^ (^42) He → 126 C + 4 10 n

9 4 Be^ + 2^ 4 2 He →^ (^126) C + 4 10 n

9 4 Be^ +^ 4 2 He →^ (^126) C + 11 p

9 4 Be^ +^ 4 2 He →^ 12 6 C +^ 1 0 n

Ćwiczenie 2

Wskaż zdania prawdziwe.

Neutrony są bardziej przenikliwe niż elektrony.

Jeśli jądro ma zbyt wiele lub zbyt mało neutronów, jest niestabilne.

Najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem jest uran.

Podczas rozszczepienia atomu, rozpada się on na dwie równe części i na zewnątrz atomu wyrzucany jest elektron.

Promieniowanie uwalniane z cząstek jest bezpieczne dla zdrowia.

Ćwiczenie 5

Uzupełnij tekst dotyczący sztucznej promieniotwórczości.

Chociaż istnieją radioaktywne izotopy toru i uranu, oznacza, że tworzymy serię pierwiastków trans-uranowych zdolnych do radioaktywności. Ten rodzaj radioaktywności ma wiele zastosowań w , w których wolno poruszające się neutrony są bombardowane izotopem uranu, który staje się niestabilny i zaczyna zanikać, uwalniając ogromną ilość energii. Zjawisko to zostało nazwane. Rozróżnia się samoistne i

. W tym drugim przypadku jądra w wyniku zderzenia z , protonami, kwantami gamma lub innymi cząstkami.

naturalne bombach atomowych rozszczepieniem jądra atomowego

reaktorach jądrowych łączą się bombach wodorowych stabilnym

rozszczepienie sztucznym naturalna radioaktywność fuzją jądrową wymuszone

rozszczepiają się elektronami sztuczna radioaktywność neutronami

Ćwiczenie 6

Uzupełnij podane poniżej równania.

a)

b)

c)

d)

27 13 Al^ +^ 4 2 He →^ +^ (^10) n

23 11 Na +^ → 23 12 Mg +^ (^10) n

39 19 K +^

11 H → 36

18 Ar^ +

10 5 B +^ →^ 7 3 Li^ +^ 4 2 He

(^42) He 10 n 31 15 P^2 (^10) n 4 11 H 11 H 0 −1e^ 30 15 P^

21 H

Ćwiczenie 7

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 8

Czasami podczas reakcji jądrowej powstaje więcej niż jeden neutron. W 2001 roku został odkryty pierwiastek liwermor ( ), który zawiera 116 protonów w swoim jądrze. został otrzymany w wyniku zderzenia jąder pierwiastków i. Podczas tego zderzenia powstał więcej niż jeden neutron. Zapisz opisaną reakcję jądrową oraz określ ilość powstałych neutronów.

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Lv 293 Lv (^248) Cm 48 Ca

asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

burza mózgów; -analiza materiału źródłowego; dyskusja dydaktyczna; drzewko decyzyjne; technika zdań podsumowujących; technika gadająca ściana.

Formy pracy:

praca indywidualna; praca w grupach.

Środki dydaktyczne:

komputery z głośnikami i dostępem do Internetu; słuchawki; zasoby multimedialne zawarte w e‐materiale; tablica interaktywna/tablica.

Przebieg zajęć

Faza wstępna:

1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel wykorzystuje pytania zawarte we wprowadzeniu do e‐materiału, np.: Czy rozwój badań naukowych nad sztuczną promieniotwórczością może zmienić świat? Jeśli tak, to w jakim kierunku? W jakich działach gospodarki mogłoby być to najbardziej do zastosowania?
2. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele.
3. Rozpoznawanie wiedzy wstępnej uczniów. Burza mózgów wokół pojęcia promieniotwórczość sztuczna.

Faza realizacyjna:

1. Uczniowie analizują w e‐materiale schemat dotyczący radioaktywności oraz istotę sztucznych przemian jądrowych. Nauczyciel upewnia się, czy wszystkie kwestie są zrozumiałe, ewentualnie wyjaśnia wątpliwości.
2. Nauczyciel wprowadza metodę drzewka decyzyjnego jako metodę graficznego zapisu dyskusji uczniów, pozwalającą na podejmowanie decyzji w sytuacji problemowej, gdy trzeba dokonać wartościujących osądów, połączonych z krytycznym myśleniem.
3. Nauczyciel dzieli uczniów na grupy, np. 5‐osobowe. Przedstawia problem wymagający rozważenia i podjęcia decyzji: „Czy decyzja o budowie w Polsce elektrowni atomowej

byłaby trafnym rozwiązaniem?” Uczniowie korzystają z różnych źródeł informacji, w tym z e‐materiału.

4. Prowadzący zajęcia rozdaje grupom schemat drzewka decyzyjnego i omawia sposób graficznego zapisu dyskusji.
5. Poszczególne grupy zapisują możliwe rozwiązania analizowanego problemu oraz określają pozytywne i negatywne skutki proponowanych rozwiązań.
6. Liderzy grup prezentują wyniki prac uczniowskich z zastosowaniem techniki gadająca ściana i kierując się wartościami prezentowanymi przez członków zespołu uzasadnia ostateczną decyzję grupy.
7. Nauczyciel poleca uczniom samodzielną pracę z medium bazowym - symulacja interaktywna. Uczniowie sprawdzają swoją wiedzę, wykonując ćwiczenia załączone do medium bazowym oraz w zestawie ćwiczeń.

Faza podsumowująca:

1. Nauczyciel sprawdza wiedzę uczniów, wykorzystując pytania z e‐materiału, np. polecenia do multimedium:

Który pierwiastek jest najcięższym naturalnie pierwiastkiem? Które cząstki są bardziej przenikliwe: elektrony czy neutrony? Na czym polega rozszczepienie jądra atomowego?

2. Jako podsumowanie lekcji nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie również zamieszczają w swoim portfolio:

Przypomniałem sobie, że... Co było dla mnie łatwe... Czego się nauczyłam/łem... Co sprawiało mi trudność...

Praca domowa:

Nauczyciel prosi uczniów o dokończenie ćwiczeń w e‐materiale.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Symulacja interaktywna może być wykorzystana przez uczniów podczas przygotowywania się do zajęć.

Materiały pomocnicze:

1. Polecenia podsumowujące (nauczyciel przed lekcją zapisuje je na niewielkich kartkach):

Który pierwiastek jest najcięższym naturalnie pierwiastkiem? Które cząstki są bardziej przenikliwe: elektrony czy neutrony?