核泄漏中的相關(guān)物理知識探究

李維兵

(南通高等師范學(xué)校,江蘇南通 226100)

2011年3月11日13時,日本宮城縣以東海域發(fā)生里氏9級強(qiáng)烈地震,受強(qiáng)烈地震和海嘯影響,福島第一核電站1號、3號機(jī)組發(fā)生氫氣爆炸,2號反應(yīng)堆容器爆炸,導(dǎo)致核泄漏,地球表面都檢測到了微量的核裂變時所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)污染.核泄漏中涉及到原子核的衰變、放射性元素的半衰期、核能等眾多原子物理方面的知識,下面就結(jié)合核泄漏中的相關(guān)問題進(jìn)行探究.

1 有關(guān)核泄漏中放射出的相關(guān)射線的探究

例1.(1)福島核電站反應(yīng)堆均為以普通水作為冷卻劑和中子減速劑的沸水反應(yīng)堆,核反應(yīng)中會有大量射線釋放,原子核U經(jīng)放射性衰變①變?yōu)閔原子核,繼而經(jīng)放射性衰變②變?yōu)樵雍薬,再經(jīng)放射性衰變③變?yōu)樵雍薝,放射性衰變①、②和③放出的射線依次為________射線、________射線、________射線.

(2)核電站泄漏射線會引發(fā)白血病和其他類型腫瘤,還會使人壽命縮短,為了檢測福島核電站核泄漏中的不同射線,可用如圖1所示裝置判別,置于鉛盒中的核泄漏放射性物質(zhì)發(fā)射的α、β和γ射線,由鉛盒的小孔射出,在小孔外放一鋁箔后,鋁箔后的空間有一勻強(qiáng)電場,射線進(jìn)入電場后變?yōu)閍、b兩束,射線a沿原來方向行進(jìn),射線b發(fā)生了偏轉(zhuǎn),則圖中a為____射線,b為_________射線.

圖1

(2)α射線不能穿過鋁箔,a、b不可能為α射線;在電場中不偏轉(zhuǎn)的射線是不帶電的,a為γ射線;偏轉(zhuǎn)的b射線只能是帶負(fù)電的β射線.

2 有關(guān)核泄漏中的放射性元素衰變的探究

例2.碘-131放出的β射線可殺傷一部分甲狀腺細(xì)胞,使甲狀腺縮小,導(dǎo)致甲狀腺合成的甲狀腺激素減少,使甲亢表現(xiàn)消失.2011年3月26日,在我國黑龍江省東北部空氣中發(fā)現(xiàn)了極微量的人工放射性核素碘-131,但這些極微量的放射性物質(zhì)對我國環(huán)境和公眾健康不會產(chǎn)生影響,隨后東部沿海地區(qū)也有類似發(fā)現(xiàn).碘-131的半衰期為8天.

(2)隨著天氣轉(zhuǎn)暖則其半衰期_______(選填“變大”、“不變”或“變小”),你認(rèn)為其半衰期越小對環(huán)境的危害________(選填“越大”、“無關(guān)”或“越小”).

(2)放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的,跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系,故天氣轉(zhuǎn)暖,碘-131半衰期不變.半衰期越小,環(huán)境中的碘-131的衰變對環(huán)境和公眾健康也就越早結(jié)束,不會長期擔(dān)憂.

例3.放射性銫-137是日本核泄露中核裂變反應(yīng)所生成的產(chǎn)物之一.其發(fā)生衰變會放出粒子β和γ射線,半衰期約為30年.某實驗容器中裝有受放射性銫污染的水,其放射強(qiáng)度是安全值的 1.5倍,則

(A)將容器中的水放置30年后,會自然達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn).

(B)含銫-137的水被人飲用后,在人體內(nèi)會失去放射性.

(C)水燒開后,銫-137仍具有放射性.

(D)用銫-137制成銫酸鉀,會失去放射性.

解析:容器中含銫-137的水放置30年后,其放射強(qiáng)度變成剛泄漏時的一半,即為安全值的0.75倍,達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn);因為放射性元素衰變的快慢與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無關(guān),故人飲用了含銫-137的水,不會失去放射性,將含銫-137的水燒開也不會影響放射性;將銫-137發(fā)生化學(xué)變化,制成銫酸鉀也不會失去放射性.故選(A)、(C).

例4.核能作為一種新能源在現(xiàn)代社會中已不可缺少,但安全是核電站面臨的非常嚴(yán)峻的問題.日本核泄漏中的钚(Pu)是一種具有放射性的超鈾元素,钚的危險性在于它對人體的毒性,與其他放射性元素相比钚在這方面更強(qiáng),一旦侵入人體,就會潛伏人體肺部、骨骼等組織細(xì)胞中,破壞細(xì)胞基因,提高患癌癥的風(fēng)險.已知钚的一種同位素Pu的半衰期為24 100年,其衰變方程為下列有關(guān)說法正確的是

(A)X原子核中含有143個中子.

(B)100個 Pu經(jīng)過24 100年后一定還剩余50個.

(C)由于衰變時釋放巨大能量,根據(jù) ΔE=mc2,衰變過程總質(zhì)量增加.

(D)衰變發(fā)出的放射線是波長很短的光子,具有很強(qiáng)的穿透能力.

3 有關(guān)核泄漏中放射性元素衰變釋放能量的探究

例5.(1)碘-131放出β粒子后,產(chǎn)生新核氙(Xe131),核反應(yīng)方程為_______.新核處于高能級,它向低能級躍遷輻射γ光子.若 Xe131輻射出波長為λ的光子,普朗克常量為h,真空中光速為c,則該原子核輻射γ光子前后的能級差為________.

(2)β衰變來源于核內(nèi)的中子,是核內(nèi)弱相互作用把一個中子(質(zhì)量m0)轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子(質(zhì)量 m1)、一個電子(質(zhì)量m2)和一個反電子中微子(質(zhì)量m3).此過程釋放的能量是________.

由玻爾理論可知E=Em-En(m＞n).

由普朗克能量子可知,輻射光子的能量為

(2)由愛因斯坦質(zhì)能方程可知E=Δmc2,根據(jù)質(zhì)量虧損可知 Δm=m0-m1-m2-m3.即此過程釋放的能量為

例6.某一靜止的碘-131原子核放出β粒子和γ光子,β粒子的動能為E1,動量大小為p1,γ光子的能量為E2,動量大小為p2,反應(yīng)產(chǎn)生的新核氙的動能為E3,真空中光速為c,則(1)此反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是多少?(2)若輻射的γ光子的方向與氙核的方向相同,則氙核的動量大小為多少?

解析:(1)設(shè)核反應(yīng)中釋放的核能為 ΔE,質(zhì)量虧損為Δm,則根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知

ΔE=Δmc2.

根據(jù)題意,釋放出的能量一部分轉(zhuǎn)化為衰變后新核氙的動能和β粒子的動能,另一部分轉(zhuǎn)化為γ光子的能量,即

(2)設(shè)氙核的動量大小為p,由動量守恒得

解得p=p1-p2.

例7.日本核泄漏中的钚(Pu)是一種具有放射性的超鈾元素,钚的危險性在于它對人體的毒性,與其他放射性元素相比钚在這方面更強(qiáng),钚(Pu)核發(fā)生衰變時發(fā)出α射線和γ光子.已知钚(Pu)核發(fā)生α衰變時,其中子的質(zhì)量mn,質(zhì)子的質(zhì)量mp,α粒子的質(zhì)量mα,真空中的光速為 c.求α粒子的比結(jié)合能.

解析:發(fā)生α衰變的實質(zhì)是钚(Pu)核中的兩個中子和兩個質(zhì)子生成氦核,即H+n→e,由愛因斯坦質(zhì)能方程可知

根據(jù)質(zhì)量虧損可知

則α粒子的比結(jié)合能為

發(fā)展核電是實現(xiàn)未來清潔能源發(fā)展目標(biāo)的重要途徑之一,核電站的安全已經(jīng)成了全世界人類共同關(guān)注的問題,經(jīng)過了日本這次災(zāi)難,核電站的安全性將會得到空前的提高.人類在發(fā)展核電的同時,將會運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏,以避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對地球上的水源和空氣的污染.