核泄漏中的相關物理知識探究

李維兵

(南通高等師范學校,江蘇南通 226100)

2011年3月11日13時,日本宮城縣以東海域發生里氏9級強烈地震,受強烈地震和海嘯影響,福島第一核電站1號、3號機組發生氫氣爆炸,2號反應堆容器爆炸,導致核泄漏,地球表面都檢測到了微量的核裂變時所產生的放射性物質污染.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,下面就結合核泄漏中的相關問題進行探究.

1 有關核泄漏中放射出的相關射線的探究

例1.(1)福島核電站反應堆均為以普通水作為冷卻劑和中子減速劑的沸水反應堆,核反應中會有大量射線釋放,原子核U經放射性衰變①變為h原子核,繼而經放射性衰變②變為原子核a,再經放射性衰變③變為原子核U,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發射的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電場,射線進入電場后變為a、b兩束,射線a沿原來方向行進,射線b發生了偏轉,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;在電場中不偏轉的射線是不帶電的,a為γ射線;偏轉的b射線只能是帶負電的β射線.

2 有關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胞,使甲狀腺縮小,導致甲狀腺合成的甲狀腺激素減少,使甲亢表現消失.2011年3月26日,在我國黑龍江省東北部空氣中發現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對我國環境和公眾健康不會產生影響,隨后東部沿海地區也有類似發現.碘-131的半衰期為8天.

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

(2)放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的,跟原子所處的化學狀態和外部條件沒有關系,故天氣轉暖,碘-131半衰期不變.半衰期越小,環境中的碘-131的衰變對環境和公眾健康也就越早結束,不會長期擔憂.

例3.放射性銫-137是日本核泄露中核裂變反應所生成的產物之一.其發生衰變會放出粒子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,會自然達到安全標準.

(B)含銫-137的水被人飲用后,在人體內會失去放射性.

(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,其放射強度變成剛泄漏時的一半,即為安全值的0.75倍,達到安全標準;因為放射性元素衰變的快慢與原子所處的化學狀態和外部條件無關,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發生化學變化,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代社會中已不可缺少,但安全是核電站面臨的非常嚴峻的問題.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,一旦侵入人體,就會潛伏人體肺部、骨骼等組織細胞中,破壞細胞基因,提高患癌癥的風險.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說法正確的是

(A)X原子核中含有143個中子.

(B)100個 Pu經過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 ΔE=mc2,衰變過程總質量增加.

(D)衰變發出的放射線是波長很短的光子,具有很強的穿透能力.

3 有關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,產生新核氙(Xe131),核反應方程為_______.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衰變來源于核內的中子,是核內弱相互作用把一個中子(質量m0)轉變成一個質子(質量 m1)、一個電子(質量m2)和一個反電子中微子(質量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)由愛因斯坦質能方程可知E=Δmc2,根據質量虧損可知 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,反應產生的新核氙的動能為E3,真空中光速為c,則(1)此反應過程中的質量虧損是多少?(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)設核反應中釋放的核能為 ΔE,質量虧損為Δm,則根據愛因斯坦質能方程可知

ΔE=Δmc2.

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

(2)設氙核的動量大小為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,钚(Pu)核發生衰變時發出α射線和γ光子.已知钚(Pu)核發生α衰變時,其中子的質量mn,質子的質量mp,α粒子的質量mα,真空中的光速為 c.求α粒子的比結合能.

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

根據質量虧損可知

則α粒子的比結合能為

發展核電是實現未來清潔能源發展目標的重要途徑之一,核電站的安全已經成了全世界人類共同關注的問題,經過了日本這次災難,核電站的安全性將會得到空前的提高.人類在發展核電的同時,將會運用先進的科學技術來防止放射線和放射性物質的泄漏,以避免射線對人體的傷害和放射性物質對地球上的水源和空氣的污染.