JADERNÁ ENERGIE

21. dubna 2013 VY_32_INOVACE_170314_Jaderna_energie_DUM

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

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•

- běžný vodík

Izotopy

dále

protiumH11

)D(deuteriumH 21

21

)T(tritiumH 31

31

Obr.1

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.

Izotopy

dále

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).

Obr.2

Izotopy uhlíku

• uhlík má tři izotopy

Izotopy

dále

12uhlíkC126

13uhlíkC136

14uhlíkC146

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

se vyskytuje v 99,7%

se vyskytuje v 0,03%

se vyskytuje v 0,21%

Izotopy

dále

O168

O178

O188

Některé prvky mají pouze jeden izotop, např. F, Na, Al, P, Co, Au.

Naopak největší počet izotopů (10) má cín (Sn).

Izotopy

další kapitolazpět na obsah

Tabulka izotopů na Wikipedii

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.

Stabilita jádra

dále

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.:

Pokud jsou radioaktivní, tak mají dlouhý poločas rozpadu.

Stabilita jádra

He42 O168 Ca48

20 Pb20882

další kapitolazpět na obsah

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.

Radioaktivní rozpad

dále

Rozpadová řada popisuje radioaktivní rozpad nestabilních jader těžkých prvků. Jsou známy tři přírodní a jedna umělá rozpadová řada.

Uranová rozpadová řada• začíná rozpadem 238U a končí stabilním

izotopem 206Pb

Obr.3

Aktinio – uranová rozpadová řada• začíná rozpadem 235U a končí u izotopu olova 207Pb

Radioaktivní rozpad

dále

Obr.4

Thoriová rozpadová řada• začíná 232Th a končí 208Pb

Radioaktivní rozpad

dále

Obr.5

Neptuniová rozpadová řada (umělá)

• začíná 238Np a končí 205Tl

Radioaktivní rozpad

dále

Obr.6

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

Radioaktivní rozpad

dále

Poločas přeměny na Wikipedii

Obr.7

Při radioaktivním rozpadu A se nukleové číslo snižuje o čtyři, při rozpadu B zůstává zachováno.

Radioaktivní rozpad

další kapitolazpět na obsah

Obr.8

• 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)

Štěpná jaderná reakce

dále

Štěpná jaderná reakce

Historie štěpná reakce na Wikipedii

Poprvé bylo jaderné štěpení usku-tečněno v roce 1938 německými fyziky O. Hahnem a F. Strassmannem u 235U.

Za tento objev jim byla udělena Nobelova cena v roce 1945.

další kapitolazpět na obsah

Obr.9

Nejjednodušší fúzí je spojování jader vodíku na jádra deuteria.

Reakce pokračuje dál

Tyto reakce probíhají např. ve Slunci.

Jaderná fúze

dále

MeV42,0neutrinoeHHH 21

11

11

MeV49,5HeHH 32

21

11

Termonukleární fúzePři 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.

Jaderná fúze

koneczpět na obsah

Obr.10

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. 2013-04-21]. 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