Вред или польза от ядерных технологий
Естествознание, 11 класс
Урок 21. Вред и польза от ядерных технологий
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Почему опасна радиация?
- Какое применение находят радиоактивные изотопы?
- Почему ядерные реакции при той же массе исходных продуктов дают энергию гораздо больше, чем химические реакции?
Глоссарий по теме:
Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и электромагнитного излучения
Изотопы – элементы с одинаковым атомным номером, но с различным массовым числом
Меченые атомы – атомы, содержащие радиоактивные ядра
Цепная ядерная реакция – это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций
Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.
Ядерные реакции – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра.
Реакция ядерного синтеза – реакция слияния лёгких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §33, С. 106-109.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011
Теоретический материал для самостоятельного изучения
C открытием в 20 веке ядерных технологий ученый мир начал выявлять плюсы и минусы этого великого научного достижения.
Но перед тем, как переходить к разбору ядерных реакций, их плюсов и минусов вспомним основные понятия, которые пригодятся нам дальше.
Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения, т.е. ядерные реакции. Само явление радиоактивного распада заключается в испускании ядрами α-частиц, β-распад, γ-лучей и γ-квантов.
От γ-лучей защититься труднее всего, так как они имеют самую большую проникающую способность.
Атомное ядро– центральная часть атома. Заряжено положительно. Состоит из нуклонов (положительно заряженных протонов) и нейтронов. Вокруг ядра вращаются по орбиталям отрицательно заряженные электроны.
Вернемся к основной теме нашего урока, и первый минус обнаружил французский учёный-физик Пьер Кюри. Он заметил, что радиоактивное излучение оказывает влияние на организм и даже целенаправленно исследовал его на себе. Сейчас мы знаем, что радиация зачастую оказывает негативное влияние на человека, вызывая серьезные заболевания, но Кюри был первооткрывателем. Опасность заключается еще и в невозможности почувствовать радиацию. У нее нет запаха, вкуса, цвета, температуры, ничего. Этот фактор привел к гибели многих ученых, инженеров, конструкторов, работающих с радиоактивными веществами. Поражающее действие радиоактивного излучения связано с ионизирующим действием определенных частиц. Химические реакции, протекающие с участием ионизированных частиц, отличаются от стандартных. Само влияние составляется из времени облучения и интенсивности излучения, причем зависимость прямо пропорциональная. На планете Земля радиоактивные изотопы встречаются не так часто.
Ученые используют это, создавая меченые атомы.
Меченые атомы– атомы, содержащие ядра радиоактивных изотопов или отличающиеся атомной массой. Используются меченые атомы для исследования многих физических и химических процессов, таких как диффузия, процессы в живых организмах и так далее. Они ведут себя как обычные атомы, но могут быть легко обнаружены по испускаемому ими радиоактивному излучению.
Благодаря работе ученых, мы можем отметить первый плюс: Научные исследования с использованием меченого атома.
Другой важный пример, который также будет записан в плюсы ядерных технологий- это радиоактивный анализ, применяемый в археологии. В растениях всегда есть β-радиоактивный изотоп углерода с полураспадом в 5700 лет. Этот изотоп получают и растения, травоядные животные, поедающие растения и хищники, поедающие травоядных животных. После гибели организма поступление изотопа прекращается и его процентное соответствие с законом радиоактивного распада уменьшается в соответствии со следующим законом:
где N0 – начальное число атомов
N- число не распавшихся ядер через время t, t-время, T-период полураспада.
Благодаря методу радио-углеродного анализа можно узнавать возраст останков в пределах от 1000 до 100000 лет.
На практике так же применяются ядерные реакции, выделяющие тепло.
Энергия химических реакций сравнима с энергией кулоновского взаимодействия электрона с ядром, которая обратно пропорциональна RA, где RA- размер атома.
Энергия ядерных реакций- это энергия сильных взаимодействий в атомном ядре.
В ядре сильные взаимодействия компенсируют кулоновское взаимодействие протонов, т.е. обратно пропорциональна RN, где RN-размер атомного ядра.
Вспомним, что размер атома больше размера атомного ядра в 104-105 раз. И сделаем вывод, что Масса ядерного топлива существенно меньше массы химического топлива, нужного для выполнения той же работы, а также, ядерные реакции при одинаковой исходной массе топлива дают энергии больше в 104-105 раз.
Двигатели, работающие на ядерном топливе, устанавливаются на атомные ледоколы и подводные лодки для обеспечения длительного плаванья без дозаправки.
Конечно, внесем этот пункт в плюсы ядерных технологий.
Работа по воспроизведению и исследованию ядерных реакций зачастую осуществляется в ускорителях, где ядра атомов сталкиваются друг с другом на большой скорости.
Рассмотрим реакцию на примере ядра урана под воздействием нейтронов. При таком делении образуется два или три дополнительных нейтрона, которые могут использоваться для продолжения реакции. Дальше реакция может пойти по двум сценариям:
1. Взрывной характер, если будет потерян контроль над процессом.
2. Затухание. Оно произойдет, если нейтрон вылетит из объема вещества, не вступив в реакцию с ядрами.
Чтобы не допустить затухания реакции масса ядер, подвергающихся воздействию не должна быть меньше критической массы. Самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра, называется цепной ядерной реакцией. Расчёт этой реакции впервые был проделан в 1939-1940гг. выдающимися советскими физиками Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном. Осуществить самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза еще сложнее. Ядра необходимо сблизить на расстояние 10-15м, если этого сделать не удается даже при большой скорости, то вещество нагревают до огромных температур (около 100 млн градусов Цельсия).
Кроме того, вещество должно быть достаточно плотным для сохранения энергии и передачи ее в следующую реакцию.
Из-за сложности проведения реакции первые опыты привели к неуправляемой реакции, т.е. были осуществлены виде взрыва. Практическое применение эта реакция нашла в военной промышленности. Была создана атомная и водородная бомба. Это страшное оружие было испытано на людях в 1945 году армией США. Японские города Хиросима и Нагасаки были подвергнуты атомной бомбардировке. Нельзя обойти вопрос морали после вышесказанного. Конечно, с точки зрения науки, создание ядерной реакции такой силы – это большое достижение, но применение этой силы в качестве оружия было совершенно недопустимо.
Американский писатель и режиссер в одной из своих работ написал фразу, ставшую крылатой: «С большой силой, приходит большая ответственность», – и эта фраза как нельзя лучше подходит для описания моральной стороны вопроса использования ядерных технологий и ядерного оружия.
В минусы ядерной энергии нужно внести неконтролируемый и разрушительный эффект при использовании ее во вред.
Вся представленная информация была посвящена определению плюсов и минусов ядерных технологий. И резюмируя всё вышесказанное можно представить две схемы: плюсы и минусы ядерных технологий.
Текст задания 1:
Что такое критическая масса?
Варианты ответа:
1) минимальная масса необходимая для начала самоподдерживающейся реакции распада.
2) максимально допустимая масса для вещества для осуществления контролируемой реакции деления.
3) масса при которой в заданный объем больше нельзя поместить ни единого атома вещества. Объем заполнен полностью.
4) масса вещества, при которой реакции начинает идти в обратную сторону.
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):
1) минимальная масса необходимая для начала самоподдерживающейся реакции распада.
Текст задания 2:
Задания для автоматически заполняемого кроссворда:
1) Какой период полураспада в годах у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
2) Какое массовое число у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
3) Сколько нейтронов у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
Правильные варианты:
1. 5700
2. 14
3. 8
Слова, которые автоматически вписываются в кроссворд:
- Ядро
- Атом
- Анализ
Использование ядерной энергии всегда было спорным вопросом. Хотя есть много преимуществ, но и недостатков тоже хватает. Давайте немного разберёмся..
ПЛЮСЫ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1.СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
Согласно докладам, опубликованным в 1998 году, выбросы парниковых газов сократились почти вдвое за счет использования ядерной энергии. Было отмечено, что ядерная энергия не выделяет вредных газов, таких как углекислый газ и метан, которые в значительной степени ответственны за загрязнение атмосферы и вызывают глобальное потепление.
Институт ядерной энергии заявил, что ядерная энергия производит более чистый воздух, чем другие источники энергии. Несмотря на то, что некоторые парниковые газы выделяются во время транспортировки, они не оказывают вредного воздействия на воздух или воду.
2.ВЫСОКАЯ ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ
Большинство источников энергии это солнце, вода или воздух. Но природа непредсказуема, а это значит, что добыча энергии зависит от различных факторов. Но это не относится к производству от ядерной энергии. Атомные станции работают с гораздо большим коэффициентом мощности. Они генерируют больше энергии, чем их коллеги которых я перечислил выше.
3.ЭКОНОМИЯ
Первоначальные затраты на создание атомной станции высоки. Но если мы рассмотрим более поздний процесс, который включает в себя производство ядерной энергии, то это экономически выгодно. Причина – наличие урана в оптимальном количестве. Ядерная энергия более экономична, чем другие источники, такие как уголь, нефть, газ и т. д. Кроме того, атомная станция, когда-то построенная, плавно работает в течение длительного периода. Низкая стоимость топлива и его переработки делают его выгоднее на фоне остальных.
4.УСТОЙЧИВЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
В настоящее время ядерная энергия рассматривается в качестве устойчивого источника энергии. Уран доступен в большом количестве, и ядерная энергия не влияет на окружающую среду. Однако исследователи пытаются найти лучшую альтернативу Урану, чтобы сделать ядерную энергию возобновляемым источником энергии.
5.ТОРИЙ, АЛЬТЕРНАТИВА
Атомные станции кажутся нам будущим. Причина-наличие урана, которого хватит более чем на 80 лет. Альтернативой этому является торий. Он считается лучшей и более безопасной альтернативой, поскольку торий более доступен, чем Уран. Кроме того, в отличие от Урана, Торий не должен использоваться при высоких температурах. А так же, он выпускает меньше отходов. Такие страны, как Япония и Индия, планируют использовать торий на своих электростанциях.
МИНУСЫ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1.РАДИОАКТИВНЫЙ ОТХОД
Радиоактивные отходы уже давно являются дискуссионной темой. Побочный продукт ядерного деления пока не причинил нам вреда, но будущее предсказать невозможно. Поскольку количество отходов от 449 ядерных реакторов, работающих в настоящее время, довольно велико, это проливает свет на вероятный риск в будущем. Если эти отходы не будут должным образом запечатаны, они могут загрязнить окружающую среду и создать дополнительную опасность для здоровья. Сегодня морское дно стало местом захоронения ядерных подводных лодок и контейнеров с ядерными отходами. Таким образом, обработка радиоактивных отходов является серьезной проблемой.
2.ВЕРОЯТНОСТЬ НЕСЧАСТНЫХ СЛУЧАЕВ
Даже если все правила безопасности соблюдены, это не даёт никакой гарантии. Всегда есть большая вероятность несчастного случая. Предметом озабоченности являются масштабы разрушений. Поскольку ядерная энергия чрезвычайно мощна, даже небольшая ситуация может привести к невыносимым последствиям. Это одинаково вредно для человечества и природы. Так что вероятность жертв возрастает с увеличением количества атомных станций. Чернобыль-это инцидент, который до сих пор остается в мыслях каждого человека.
3.СОЗДАНИЕ АТОМНОЙ СТАНЦИИ
Даже если есть много преимуществ использования ядерной энергии, есть некоторые недостатки, которые нельзя обойти стороной. Одним из них является время и деньги, необходимые для создания завода. Это не только требует времени, но и требует больших инвестиций. Кроме того, не так просто получить все разрешение и авторизацию в течение короткого периода времени. На проектирование и строительство новой атомной электростанции уходит от двадцати до тридцати лет .
4.СОЦИАЛЬНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В БЕЗОПАСНОСТИ
Безопасность является большой проблемой, когда мы принимаем во внимание ядерную энергию. Поскольку он чрезвычайно мощен, существует вероятность потенциального теракта и даже минимальной небрежности, которые могут привести к хаосу. Таким образом, необходимо проявлять максимальную заботу о станциях. Атомные электростанции в случае их повреждения обладают угрозой нанесения вреда всей цивилизации.
5.ЯДЕРНО-ОРУЖЕЙНЫЙ
Производство ядерной энергии не приводит к выбросу большого количества парниковых газов. Поэтому он рассматривается как более безопасная альтернатива. Но в то же самое время существуют радиоактивные отходы, которые могут быть использованы для производства ядерного оружия. Плутоний играет важную роль в создании ядерных бомб. Даже если ядерная энергия полезна, она также вызывает серьезную озабоченность в отношении национальной безопасности.
Как и у монеты, тут есть две стороны. Всё приходит со своими преимуществами и недостатками. Ядерная энергия была для нас благословением, но мы не должны закрывать глаза и на минусы. Необходимо поддерживать баланс между тем и другим и следить за всем, прежде чем прийти к определенному выводу. Таковы плюсы и минусы ядерной энергетики.
Естествознание, 11 класс
Урок 21. Вред и польза от ядерных технологий
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Почему опасна радиация?
- Какое применение находят радиоактивные изотопы?
- Почему ядерные реакции при той же массе исходных продуктов дают энергию гораздо больше, чем химические реакции?
Глоссарий по теме:
Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и электромагнитного излучения
Изотопы – элементы с одинаковым атомным номером, но с различным массовым числом
Меченые атомы – атомы, содержащие радиоактивные ядра
Цепная ядерная реакция – это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций
Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.
Ядерные реакции – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра.
Реакция ядерного синтеза – реакция слияния лёгких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §33, С. 106-109.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- Вентана-Граф, 2011
Теоретический материал для самостоятельного изучения
C открытием в 20 веке ядерных технологий ученый мир начал выявлять плюсы и минусы этого великого научного достижения.
Но перед тем, как переходить к разбору ядерных реакций, их плюсов и минусов вспомним основные понятия, которые пригодятся нам дальше.
Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения, т.е. ядерные реакции. Само явление радиоактивного распада заключается в испускании ядрами α-частиц, β-распад, γ-лучей и γ-квантов.
От γ-лучей защититься труднее всего, так как они имеют самую большую проникающую способность.
Атомное ядро– центральная часть атома. Заряжено положительно. Состоит из нуклонов (положительно заряженных протонов) и нейтронов. Вокруг ядра вращаются по орбиталям отрицательно заряженные электроны.
Вернемся к основной теме нашего урока, и первый минус обнаружил французский учёный-физик Пьер Кюри. Он заметил, что радиоактивное излучение оказывает влияние на организм и даже целенаправленно исследовал его на себе. Сейчас мы знаем, что радиация зачастую оказывает негативное влияние на человека, вызывая серьезные заболевания, но Кюри был первооткрывателем. Опасность заключается еще и в невозможности почувствовать радиацию. У нее нет запаха, вкуса, цвета, температуры, ничего. Этот фактор привел к гибели многих ученых, инженеров, конструкторов, работающих с радиоактивными веществами. Поражающее действие радиоактивного излучения связано с ионизирующим действием определенных частиц. Химические реакции, протекающие с участием ионизированных частиц, отличаются от стандартных. Само влияние составляется из времени облучения и интенсивности излучения, причем зависимость прямо пропорциональная. На планете Земля радиоактивные изотопы встречаются не так часто.
Ученые используют это, создавая меченые атомы.
Меченые атомы– атомы, содержащие ядра радиоактивных изотопов или отличающиеся атомной массой. Используются меченые атомы для исследования многих физических и химических процессов, таких как диффузия, процессы в живых организмах и так далее. Они ведут себя как обычные атомы, но могут быть легко обнаружены по испускаемому ими радиоактивному излучению.
Благодаря работе ученых, мы можем отметить первый плюс: Научные исследования с использованием меченого атома.
Другой важный пример, который также будет записан в плюсы ядерных технологий- это радиоактивный анализ, применяемый в археологии. В растениях всегда есть β-радиоактивный изотоп углерода с полураспадом в 5700 лет. Этот изотоп получают и растения, травоядные животные, поедающие растения и хищники, поедающие травоядных животных. После гибели организма поступление изотопа прекращается и его процентное соответствие с законом радиоактивного распада уменьшается в соответствии со следующим законом:
где N0 – начальное число атомов
N- число не распавшихся ядер через время t, t-время, T-период полураспада.
Благодаря методу радио-углеродного анализа можно узнавать возраст останков в пределах от 1000 до 100000 лет.
На практике так же применяются ядерные реакции, выделяющие тепло.
Энергия химических реакций сравнима с энергией кулоновского взаимодействия электрона с ядром, которая обратно пропорциональна RA, где RA- размер атома.
Энергия ядерных реакций- это энергия сильных взаимодействий в атомном ядре.
В ядре сильные взаимодействия компенсируют кулоновское взаимодействие протонов, т.е. обратно пропорциональна RN, где RN-размер атомного ядра.
Вспомним, что размер атома больше размера атомного ядра в 104-105 раз. И сделаем вывод, что Масса ядерного топлива существенно меньше массы химического топлива, нужного для выполнения той же работы, а также, ядерные реакции при одинаковой исходной массе топлива дают энергии больше в 104-105 раз.
Двигатели, работающие на ядерном топливе, устанавливаются на атомные ледоколы и подводные лодки для обеспечения длительного плаванья без дозаправки.
Конечно, внесем этот пункт в плюсы ядерных технологий.
Работа по воспроизведению и исследованию ядерных реакций зачастую осуществляется в ускорителях, где ядра атомов сталкиваются друг с другом на большой скорости.
Рассмотрим реакцию на примере ядра урана под воздействием нейтронов. При таком делении образуется два или три дополнительных нейтрона, которые могут использоваться для продолжения реакции. Дальше реакция может пойти по двум сценариям:
1. Взрывной характер, если будет потерян контроль над процессом.
2. Затухание. Оно произойдет, если нейтрон вылетит из объема вещества, не вступив в реакцию с ядрами.
Чтобы не допустить затухания реакции масса ядер, подвергающихся воздействию не должна быть меньше критической массы. Самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра, называется цепной ядерной реакцией. Расчёт этой реакции впервые был проделан в 1939-1940гг. выдающимися советскими физиками Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном. Осуществить самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза еще сложнее. Ядра необходимо сблизить на расстояние 10-15м, если этого сделать не удается даже при большой скорости, то вещество нагревают до огромных температур (около 100 млн градусов Цельсия).
Кроме того, вещество должно быть достаточно плотным для сохранения энергии и передачи ее в следующую реакцию.
Из-за сложности проведения реакции первые опыты привели к неуправляемой реакции, т.е. были осуществлены виде взрыва. Практическое применение эта реакция нашла в военной промышленности. Была создана атомная и водородная бомба. Это страшное оружие было испытано на людях в 1945 году армией США. Японские города Хиросима и Нагасаки были подвергнуты атомной бомбардировке. Нельзя обойти вопрос морали после вышесказанного. Конечно, с точки зрения науки, создание ядерной реакции такой силы – это большое достижение, но применение этой силы в качестве оружия было совершенно недопустимо.
Американский писатель и режиссер в одной из своих работ написал фразу, ставшую крылатой: «С большой силой, приходит большая ответственность», – и эта фраза как нельзя лучше подходит для описания моральной стороны вопроса использования ядерных технологий и ядерного оружия.
В минусы ядерной энергии нужно внести неконтролируемый и разрушительный эффект при использовании ее во вред.
Вся представленная информация была посвящена определению плюсов и минусов ядерных технологий. И резюмируя всё вышесказанное можно представить две схемы: плюсы и минусы ядерных технологий.
Текст задания 1:
Что такое критическая масса?
Варианты ответа:
1) минимальная масса необходимая для начала самоподдерживающейся реакции распада.
2) максимально допустимая масса для вещества для осуществления контролируемой реакции деления.
3) масса при которой в заданный объем больше нельзя поместить ни единого атома вещества. Объем заполнен полностью.
4) масса вещества, при которой реакции начинает идти в обратную сторону.
Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):
1) минимальная масса необходимая для начала самоподдерживающейся реакции распада.
Текст задания 2:
Задания для автоматически заполняемого кроссворда:
1) Какой период полураспада в годах у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
2) Какое массовое число у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
3) Сколько нейтронов у β-радиоактивного изотопа углерода в растениях?
Правильные варианты:
1. 5700
2. 14
3. 8
Слова, которые автоматически вписываются в кроссворд:
- Ядро
- Атом
- Анализ