7. Atomenergia

Nukleáris kölcsönhatás

A középkori alkímia hétköznapi anyagból kívánt aranyat előállítani. Az alkímia elemátalakításra vágyott, a kémia viszont attól virágzott fel, hogy kiaknázta az atommagok változatlanságát. Mindennapi körülmények között az atommag változatlan, ezért nem sikerült az alkimistáknak az aranygyártás. A nukleonok (atommagot alkotó részecskék - proton és neutron) között a kölcsönhatás oly erős, hogy néhány száz vagy ezer kelvin hőmérsékleten a rendszertelen mozgás energiája nem képes megbolygatni. A gravitációs kölcsönhatás túl gyenge a nukleonok összetartásához, az elektromos kölcsönhatás, a protonok azonos előjelű töltése miatt pedig szintén nem okozhatja a nukleonok együtt maradását.

7.1. Milyen elemi részecskékből épülnek fel az atomok?
7.2. Rajzold le az atom szerkezetét, jelölve az elemi részecskék helyét!
7.3. Egy adott atomban melyik elemi részecske száma változatlan mindig?
7.4. Mit jelent  az izotóp kifejezés?
7.5. Mit jelent az ion kifejezés?
7.6. A többi elemi részecske hogyan változhat? Miért?
7.7. Milyen izotópjait ismered a hidrogénnek?

Egy új, másfajta kölcsönhatásnak kell működnie a nukleonok között. Ennek az erőhatásnak nagyobbnak kell lennie az elektromos taszításnál, és természetesen rövid hatótávolságúnak kell lennie, hiszen csak az atommagban hat.

Ennek érzékeltetésére számoljuk ki, hogy két proton 2,4 x 10^-15 m távolságból mekkora erővel taszítja egymást!

Eredményünk nem tűnik nagynak, de vegyük figyelembe, hogy ekkora erő kis tömegre hat. Olyan, mintha egy 1,5 kg tömegű testre 4 x 10²⁸ N nagyságú erő hatna. Szinte elképzelhetetlen.

E kölcsönhatás főbb tulajdonságai:

1. Az elektromos töltéstől független. A proton – proton-, neutron – neutron- és proton – neutron – párok nukleáris kölcsönhatása ugyanolyan
2. A nukleáris kölcsönhatás vonzó. A nukleáris kölcsönhatási energia negatív.
3. A nukleáris kölcsönhatás igen rövid hatótávolságú. Hatása megszűnik a b = 1,4 x 10^-15 m távolságon kívül.
4. A nukleáris kölcsönhatás igen erős. A hatótávolságon belül a nukleáris kölcsönhatási energia nagysága közel százszorosa az ugyanilyen távolságban levő két proton Coulomb – energiájának. Mint azt a számításból láttuk is.

Atommagnak nevezzük a nukleáris kölcsönhatás által együtt tartott nukleonokat. A legegyszerűbb összetett atommag az egyetlen protonból és egyetlen neutronból felépült deutérium. Deuteron görögül másodikat jelent.

7.8. Mit jelenthet a tömegdefektus? Töltsd ki az alábbi táblázatot!

 

Deuteron felépítése	Mproton	Mneutron	Deuteron számított tömege	Deuteron mért tömege
.	1,6726x10-27kg	1,6749x10-27kg	.	3,3431x10-27

Eltűnt 0,0044x10^-27 kg tömeg. Ezen egyszerű atommag létrejöttekor ennek a tömegnek megfelelő energia sugárzódik ki, ennyivel lesz mélyebb állapotú a kialakult atommag, mint a magányos proton és neutron. Több nukleonból összetett atommagnál nehéz közvetlenül megmérni, mennyi energia szabadul fel, amikor az atommag szabad nukleonokból összeáll. A tömeghiány – jelensége azonban példát mutat a kötési energia mérésére, kiszámítására a híres Einstein képlet segítségével: E = mc².

A tömegdefektus kapcsán felmerül egy kérdés: a kémiai kötések energiája miatt miért nem lép fel a jelenség?
Válasz: Elvben ekkor is van, de olyan kicsi, hogy a tömegmérés pontatlansága ennél nagyobb érték. Így szerencsénkre a kémiai folyamatoknál, akárcsak a klasszikus fizikában a tömegmegmaradás törvényét igaznak tekinthetjük.

Hogyan "működik" a Nap?

A Napban lejátszódó kémiai reakciókat ún. fúziós folyamatnak nevezzük, amely egyesülést jelent. Jelenlegi tudásunk szerint a Nap és a csillagok kisugárzott energiája, az atommagok egyesülésekor felszabaduló energiának köszönhető. A folyamat három lépsből áll:

az első lépésben két hidrogénatom egyesül deutériummá (2-es hidrogén izotóp) , majd a keletkezett deutérium egy újabb hidrogénnel egyesül 3-as hélium izotóppá , legvégül két 3-as hélium izotóp egyesül 4-es hélium izotóppá úgy, hogy keletkezik 2 hidrogénatom .

Mindhárom lépésben keletkezik energia, és az sem elhanyagolható, hogy a folyamat végén kiindulási anyag (2 hidrogénatom) is keletkezik, így elvileg végtelen ideig játszódhat le.
A fúzió csak igen nagy energiájú ütközések során jön létre, legalább 10 millió °C hőmérséklet kell hozzá.

7.8. Nézz utána a csillagok születésének, életének és halálának!

 

A csillagok élete és halála

 

Atomenergia-történelem

A XIX. század végén figyelik meg, hogy az egységesnek vélt atom különböző sugarakat bocsáthat ki. Felfedezik előbb a röntgen (Röntgen), majd a radioaktív (Becquerel) sugárzást. A későbbiekben rájönnek, hogy a radiaktív sugárzás magyarázata az atommagok átalakulása, a jelenség akkor figyelhető meg, ha az atomok átalakulnak más atomokká. Az átalakulás mindig az adott atomfajtára jellemző sebességgel történik, miközben nagy mennyiségű energia szabadul fel.

1896. Antoine César Becquerel francia fotográfus felfedezi a radioaktivitást
1898. Pierre Curie francia fizikus és felesége a lengyel származású francia fizikus és kémikus Marie Curie-Sklodowska a rádium (Ra) felfedezéséért Nobel-díjat kapnak Becquerel-lel megosztva.
1919. első ízben figyelnek meg magreakciót
1942. december 2. 15.25 megindítják az első "atommáglyát"., melyet Enrico Fermi olasz fizikus és Szilárd Leó magyar származású amerikai fizikus tervei alapján építettek.
1945. július 16. New Mexikóban kipróbálják az első atombombát
1945. augusztus 6-án Hirosimára,
9-én Nagaszakira dobnak atombombát.
1949. augusztus 29. A Szovjetúnió felrobbantja első atombombáját a kazahsztáni Szemipalatyinszkban.
1951. Elkészül az első atomreaktor, amely 4 hagyományos izzó világításához elegendő energiát termel.
1954. Az USA villanyhálozatra kapcsolja első atomerőművét.
1957. Az ENSZ létrehozza a Nemzetközi Atomenergia Ügynökséget (NAÜ), melynek feladata az atomenergia békés felhasználásának előmozdítása.
1959. Az USA vízre bocsátja első atommeghajtású kereskedelmi hajóját, a Savannah-t.
1964-65. A Szovjetunió nyolc haditengerészeti reaktort süllyeszt el.
1983-87. Pakson beindul az I-es, egyév múlva a II-es, 1986-ban a III-as, 1987-ben a  IV-es blokk.
1994. június 21-24. Al Gore amerikai elnök és Viktor Csernomirgyin orosz miniszterelnök egyezményben rögzítik a plutónium-termelés megszüntetését az orosz reaktorokban.
1997. március 1. 20 ezer tüntető ellenzi a gorlebeni (Németország) atomhulladék szállítást.

Jelentősebb atombalesetek

1957.	Windscale (ma Sellafield) - Nagy-Britannia a reaktor kiég, 500 km2 földterület válik sugárszennyezetté.
1957.	Kistim - Ukrajna radioaktív hulladéktároló a szabálytalan tárolás miatt felrobban, 1000 km2 terület szennyeződik.
1975. november 30.	Leningrád (ma Szentpétevár) - Szovjetunió
1976-77.	Bohunice - Csehszlovákia (ma Szlovákia) robbanás, két munkás meghal
1979.	ThreeMile Islend - USA próbaüzem alatt radioaktív gázok szabadulnak ki
1981.	La Hague - Franciaország műszaki hiba
1984.	Kozloduj - Bulgária baleset
1986.	Csernobil - Ukrajna az atomtörténelem legsúlyosabb balesete
1987.	Biblis - Németország súlyos üzemzavar
1990.	Kozloduj - Bulgária földrengés miatt leáll
1993. január 13.	Csernobil - Ukrajna tűz üt ki
1993.	Paks - Magyarország baleset a fűtőelem-csere során
1997. április 8.	La Hague - Franciaország 3900-szor nagyobb háttérsugárzás
1999. január 8.	Törökország sugárzó kobalt kerül a levegőbe

7.9. Folytasd a XXI. század atomenergia-történelmével!

 

20..	.
20..	.
20..	.
20..	.
20..	.
20..	.

 

Hogyan működik az atomerőmű?

Az atomerőművekben az atomok átalakulása során keletkező radioaktív sugárzás energiáját hasznosítják úgy , hogy a folyamatot (láncreakció) több szinten szabályozzák.

7.10. Az alábbi linkek segítségével készítsetek vázlatot az atomerőművek működéséről az alábbi szempontok alapján!

 

Paksi Atomerőmű Rt.
A paksi atomerőmű

Szempontok:

Téma	Altémák	Fogalmak
A radioaktivitás, a sugárzások fajtái	.	.
Az atomenergia hasznosítása	maghasadás, láncreakció	moderátor
Atomerőmű felépítése	felépítés, típusok	nyomottvizes, forralóvízes, újgenerációs
A paksi atomerőmű felépítése	felépítés, működés	aktív zóna, primer kör, szekunder kör
Biztonságvédelmi rendszerek	.	.
Sugáregészségügyi ismeretek	sugárzás forrásai	sievert
Radioaktív hulladékok	besorolásuk, kezelésük	.

7.11. Rajzold le egy atomerőmű vázlatos felépítését!
7.12. Alakítsatok két csoportot! Az egyik csoport nézzen utána az atomenergia előnyeinek, a másik a hátrányainak! Rendezzetek Vitát!

Energia Klub - atomenergia
Paksi Atomerőmű Rt.

nukleon, tömegdefektus, magfúzió, radioaktív sugárzás