Stabilita jader
Cvičení 1
Vysvětlete pojmy:
- neutron, nukleon, nuklid,
- molekula, atom, částice, prvek, izotop.
Cvičení 2
Z jakých a kolika částic se skládá:
- atom platiny \({}^{195}_{\hphantom{0}78}\mathrm{Pt}\),
- měďnatý ion \({}^{65}_{29}\mathrm{Cu}^{2+}\)?
- 78 p+, 117 n0, 78 e–;
- 29 p+, 36 n0, 27 e–
Cvičení 3
Uvažujme stabilní atom helia \({}^4_2\mathrm{He}\).
- Vypočítejte poměr hmotností jádra a obalu.
- Kdyby bylo jádro helia velké jako pomeranč, jak velký by byl elektronový obal?
- Kdyby bylo jádro helia těžké jako pomeranč, jak těžký by byl elektronový obal?
- 3,7 ⋅ 103;
- řádově 10 km (což je vzdálenost z centra Liberce do centra Jablonce nad Nisou);
- řádově 10−2 g (středně velké zrnko písku)
Cvičení 4
Auto má klidovou hmotnost 1 550 kg. Vypočítejte:
- jeho klidovou energii,
- jeho kinetickou energii při rychlosti 130 km/h,
- odpovídající změnu hmotnosti.
Proč nepozorujeme nárůst hmotnosti auta při pohybu?
- 1,40 ⋅ 1020 J;
- 1,01 ⋅ 106 J;
- 1,12 ⋅ 10−11 kg;
Cvičení 5
Cvičení 6
Vypočítejte vazebnou energii připadající na jeden nukleon jádra
- uhlíku \({}^{12}_{\hphantom{0}6}\mathrm{C}\),
- uranu \({}^{238}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U}\).
Zadané hodnoty:
hmotnost atomu \({}^{12}_{\hphantom{0}6}\mathrm{C}\) je \(m_\mathrm{C}=12{,}000\ \mathrm{u}\).
hmotnost atomu \({}^{238}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U}\) je \(m_\mathrm{U}=238{,}0508\ \mathrm{u}\).
\(m_\mathrm{p} = 1{,}00728\ \mathrm{u}\), \(m_\mathrm{n} = 1{,}00866\ \mathrm{u}\), \(m_\mathrm{e} = 5{,}486\cdot10^{-4}\ \mathrm{u}\).
- 7,69 MeV;
- 7,58 MeV; zadány jsou hmotnosti atomů, je třeba nejdříve odečíst hmotnost elektronového obalu
Cvičení 7
Vazebná energie připadající na jeden nukleon má v případě uranu \({}^{235}\mathrm{U}\) hodnotu 7,591 MeV. V jaderném reaktoru se toto jádro rozštěpilo na xenon \({}^{139}\mathrm{Xe}\) o vazebné energii 8,312 MeV na jeden nukleon a na stroncium \({}^{95}\mathrm{Sr}\) o vazebné energii 8,549 MeV na jeden nukleon. Vypočítejte:
- energii uvolněnou při rozštěpení jednoho jádra uranu,
- kolik procent z vazebné energie jádra uranu se štěpením uvolnilo.
- 184 MeV;
- 10,3 %
Radioaktivita
Cvičení 1
S využitím periodické tabulky prvků doplňte zápis jaderných reakcí.
\[\begin{aligned} {}^{234}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} &\to \dots + {}^4_2\mathrm{He}\\ \dots &\to {}^{36}_{18}\dots + {}^{\hphantom{-}0}_{-1}\mathrm{e} + \dots\\ {}^{\dots}_{16}\mathrm{S} &\to {}^{30}_{\dots}\dots + {}^0_1\mathrm{e} + \dots\\ \dots &\to {}^{206}_{\hphantom{0}82}\mathrm{Pb} + \gamma\\ \end{aligned}\]Cvičení 2
Proč je zemská kůra radioaktivní.
Oblasti zemské kůry, které obsahují uran, vykazují zvýšenou radioaktivitu. Samotný uran je α zářič a přeměňuje se na thorium, které je rovněž radioaktivní, a produkty jeho přeměny jsou opět radioaktivní. V podloží tak vzniká celá řada radioaktivních látek, které přispívají k jeho aktivitě. Tato rozpadová řada končí stabilním olovem. S pomocí následujícího schématu uran-radiové řady a periodické tabulky prvků zjistěte, jaké radioaktivní látky se v podloží vyskytují. Produkt určité přeměny je vždy reaktantem přeměny následující.
\[ {}^{238}_{\hphantom{0}92}\mathrm{Th} \stackrel{\alpha}{\longrightarrow} {}^{\dots}_{\dots}\mathrm{Th} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} \dots \stackrel{\alpha-}{\longrightarrow} {}^{206}_{\hphantom{0}82}\mathrm{Pb} \]
Zdroj
Cvičení 3
Polonium \(^{210}_{\hphantom{0}84}\mathrm{Po}\) je α zářič a přeměňuje se na olovo.
- Napište rovnici přeměny.
- Vypočítejte v MeV energii uvolněnou při přeměně jednoho jádra polonia.
Hmotnosti jednotlivých jader:
\[\begin{aligned} m_\mathrm{Po} &= 209{,}9367\ \mathrm{u}\\ m_\mathrm{Pb} &= 205{,}9295\ \mathrm{u}\\ m_\mathrm{He} &= 4{,}0015\ \mathrm{u}\\ \end{aligned}\]Cvičení 4
Tritium \({}^3_1\mathrm{H}\) je v přírodě velmi vzácný radioaktivní izotop vodíku. Lze jej vyrábět ozařováním kovového lithia a v malém množství vzniká záchytem neutronů ve vodíku při běžném provozu jaderných reaktorů. Tritium je zářič \(\beta ^ - \).
- Napište rovnici přeměny.
- Vypočítejte hmotnosti jader tritia a helia.
- Vypočítejte energii v keV uvolněnou při přeměně jednoho jádra tritia. Klidovou energii neutrin zanedbejte.
Zadané hodnoty:
- hmotnost atomu tritia \(m_\mathrm{T}=3{,}0140493\ \mathrm{u}\)
- hmotnost vzniklého atomu helia \(m_\mathrm{He}=3{,}0160293\ \mathrm{u}\)
- hmotnost elektronu \(m_\mathrm{e}=5{,}486\cdot10^{-4}\ \mathrm{u}\)
Cvičení 5
Poločas přeměny izotopu polonia \({}^{221}\mathrm{Po}\) je 25 s. Předpokládejme, že v čase \(t=0\ \mathrm{s}\) obsahuje vzorek 200 miliard jader \({}^{221}\mathrm{Po}\). Kolik radioaktivních jader polonia bude ve vzorku v čase
- t = 25 s,
- t = 50 s,
- t = 100 s,
- t = 500 s.
- 100 miliard;
- 50 miliard;
- 12,5 miliardy;
- (200 miliard)/220 ≈ 190 tisíc
Cvičení 6
Radon ve stavebnictví.
Radon je radioaktivní plyn vznikající postupným rozpadem uranu. Štěrbinami v podloží je komínovým efektem nasáván k povrchu země. Protože jde o těžké atomy (nejtěžší z inertních plynů, sedmkrát těžší než molekula O2), má tendenci se hromadit ve sklepních místnostech. V pobytových prostorech novostaveb nesmí aktivita radonu překročit 200 Bq/m3. Poločas rozpadu izotopu \({}^{222}\mathrm{Rn}\) je 3,82 dní. Vypočítejte:
- hmotnost v kg jednoho atomu radonu,
- konstantu radioaktivní přeměny,
- počet atomů radonu v 1 m3 odpovídající limitní hodnotě aktivity.
Další praktické informace najdete na stránkách Státního ústavu radiační ochrany.
- 3,69 ⋅ 10−25 kg;
- 2,10 ⋅ 10−6 s−1;
- 9,52 ⋅ 107
Cvičení 7
Jak dlouho bude aktivní vyhořelé jaderné palivo?
Vyhořelé palivo z jaderných elektráren obsahuje cesium \({}^{137}\mathrm{Cs}\) a stroncium \({}^{90}\mathrm{Sr}\) s poločasem přeměny 30,0 let. Vypočítejte:
- konstantu radioaktivní přeměny,
- aktivitu vzorku obsahujícího jeden gram čistého \({}^{137}\mathrm{Cs}\),
- o kolik procent se sníží aktivita tohto vzorku za 100 let,
- za jak dlouho poklesne aktivita tohoto vzorku na hodnotu 50 kBq, což je přirozená aktivita jednoho gramu uranu v podloží.
Kdy je vyhořelé palivo nejnebezpečnější? Bude vyhořelé palivo zářit ještě 10 000 let, jak občas slyšíme v médiích? Zkuste to spočítat. Argumentujte.
Zdroj
- 7,32 ⋅ 10−10 s−1;
- 3,22· 1012 Bq;
- o 90 %;
- za 780 let
Cvičení 8 – Radiouhlíková metoda
K určení stáří nalezeného dřevěného hudebního nástroje využili archeologové radiouhlíkovou metodu. Aktivita historického vzorku byla o 26,5 % nižší než aktivita stejně velkého vzorku dřeva ze současnosti. Poločas rozpadu uhlíku 14 je 5 730 let. Určete stáří nástroje. Mohl patřit slavnému Pythagorovi ze Samu?
Cvičení 9
Určování stáří Země
Stáří Země je přibližně 4,54 miliardy let s nepřesností jeho určení ±70 milionů let. Toto číslo je kompromisem mezi věkem nejstaršího minerálu nalezeného na Zemi – zirkonu z Jack Hills v Austrálii a astrofyziky odhadovaného věku sluneční soustavy.
Čistý zirkon (ZrSiO4 – křemičitan zirkoničitý) je minerál, který vzniká krystalizací při tuhnutí roztavené horniny, například žuly. Během procesu krystalizace mohou být některé atomy zirkonia nahrazeny uranem. Totéž se nedá říci o olovu – v době vzniku krystalu neobsahuje zirkon žádné olovo.
Zdroj
Uran je radioaktivní a přes řadu meziproduktů se přeměňuje na stabilní olovo. Poločas rozpadu samotného uranu 238 je 4,47 ⋅ 109 let, o mnoho řádů vyšší než poločas rozpadu ostatních meziproduktů. Proto čas potřebný k přeměně těchto meziproduktů zanedbáme.
Na hmotnostním spektrometru bylo zjištěno, že v australském zirkonu připadá na 51 jader uranu právě 50 jader olova. Vypočítejte stáří tohoto vzorku.
Cvičení 10
Elektrický náboj a někdy i hmotnost částic ionizujícího záření můžeme zjistit pomocí jejich pohybu v magnetickém poli. Předpokládejme, že na obrázku 27.37 je magnetické pole homogenní. Která křivka odpovídá
- α záření,
- β− záření,
- β+ záření,
- γ záření,
- proudu neutronů?
Zdroj
- 3;
- 1;
- 4;
- 2;
- 2; určování směru magnetické síly je vysvětleno v kapitole 19.
Umělé reakce
Cvičení 1 – Štěpení uranu
V reaktoru jaderné elektrárny se používá jako palivo obohacený uran obsahující 3 % štěpitelného izotopu 235 a 97 % izotopu 238, který se neštěpí.
-
Po zachycení pomalého neutronu se jádro uranu 235 rozštěpilo následujícím způsobem:
\[{}^{235}_{\hphantom{0}92}\mathrm{U} + {}^1_0\mathrm{n} \stackrel{\mathrm{stepeni}}{\longrightarrow} {}^{90}_{36}\mathrm{Kr} + {}^{142}_{\hphantom{00}a}\mathrm{Ba} + b\,{}^1_0\mathrm{n} \]- Které fyzikální veličiny se během této reakce zachovávají?
- Určete a a b.
- Vede štěpení jader uranu v reaktoru vždy ke vzniku kryptonu a barya?
-
Při štěpné reakci se uvolňuje energie.
- Odkud se bere tato uvolněná energie?
- Vypočítejte uvolněnou energii při reakci v otázce 1). Výsledek vyjádřete v MeV.
- Kolik energie v joulech by se tímto štěpením uvolnilo z jednoho molu jader uranu 235?
-
Předpokládejme, že při rozštěpení jednoho jádra uranu 235 se uvolní v průměru energie 180 MeV. Třicet procent této energie se následně přemění na energii elektrickou.
- Elektrárna má elektrický výkon 2 040 MW. Kolik štěpných reakcí proběhne za sekundu?
- Vypočítejte, kolik kilogramů uranu 235 je v této elektrárně spotřebováno za jeden den.
-
Jádro uranu 238 se zachycením některého z uvolněných neutronů stává radioaktivním. Poločas jeho přeměny je 23,45 min. Za jak dlouho se rozpadne 95 % takto aktivovaných jader uranu?
Zadané hodnoty:
- hmotnost jádra uranu 235 \(m_\mathrm{U}=234{,}9935\ \mathrm{u}\)
- hmotnost jádra kryptonu 90 \(m_\mathrm{Kr}=89{,}8998\ \mathrm{u}\)
- hmotnost jádra barya 142 \(m_\mathrm{Ba}=141{,}8857\ \mathrm{u}\)
- hmotnost neutronu \(m_\mathrm{n}=1{,}00866\ \mathrm{u}\)
- atomová hmotnostní konstanta \(1\ \mathrm{u} = 1{,}660539\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}\)
- Avogadrova konstanta \(N_\mathrm{A}=6{,}022\cdot10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}\)
- elementární náboj \(e=1{,}602\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Cvičení 2
Termojaderná syntéza – problémová úloha
Proton-protonový cyklus je jeden ze způsobů, jak ve hvězdách vzniká z vodíku helium. V tomto cvičení zjistíme, kolik energie se při tom uvolňuje, a výsledek srovnáme s prakticky využívanými zdroji energie.
Zdroj
-
Popis jednotlivých reakcí
-
Podle obrázku 27.38 napište rovnice termojaderných reakcí, které při syntéze helia probíhají. U každé částice uveďte protonové a nukleonové číslo.
\[\begin{aligned} {}^1_1\mathrm{H} + \dots &\to \dots + \dots + \dots\\ {}^2_1\mathrm{H} + \dots &\to \dots\\ {}^3_2\mathrm{He} + \dots &\to \dots + \dots\\ \end{aligned}\] -
Vypočítejte v MeV energii uvolněnou při každé z reakcí.
-
-
Bilance za celý cyklus
-
Napište souhrnnou rovnici pro celý cyklus
\[ 4\,{}^1_1\mathrm{H} \to \dots + 2\dots + 2\dots \] -
Vypočítejte energii uvolněnou při anihilaci pozitronů.
-
Vypočítejte celkovou energii uvolněnou během jednoho cyklu.
-
-
Porovnání s uhlím
- Určete počet atomů v 1 kg vodíku.
- Vypočítejte energii, která se uvolní při přeměně 1 kg vodíku na helium.
- Kolikrát víc energie získáme při fúzi 1 kg vodíku oproti energii získané spálením 1 kg černého uhlí? Spalné teplo uhlí je 31,4 MJ/kg.
- Kdyby měl fúzní reaktor účinnost jen 10 % a dokázal přeměňovat vodík na helium podle výše popsaných reakcí, kolik palivového vodíku bychom potřebovali k zajištění roční spotřeby elektřiny v ČR (75 TWh)?
Zadané hodnoty:
- hmotnost protonu \(m_\mathrm{p}=1{,}007276\ \mathrm{u}\)
- hmotnost pozitronu a elektronu \(m_\mathrm{e}=5{,}486\cdot10^{-4}\ \mathrm{u}\)
- hmotnost jádra deuteria \({}^2_1\mathrm{H}\) \(m_2=2{,}01355\ \mathrm{u}\)
- hmotnost jádra helia \({}^3_2\mathrm{He}\) \(m_3=3{,}01493\ \mathrm{u}\)
- hmotnost jádra helia \({}^4_2\mathrm{He}\) \(m_4=4{,}00150\ \mathrm{u}\)
- hmotnost neutrina \(m_5=0\)
- atomová hmotnostní konstanta \(1\ \mathrm{u}=1{,}660539\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}\)
- Avogadrova konstanta \(N_\mathrm{A}=6{,}022\cdot10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}\)
- elementární náboj \(e=1{,}602\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)

