核泄漏中的相关物理知识探究

李维兵

(南通高等师范学校,江苏南通 226100)

2011年3月11日13时,日本宫城县以东海域发生里氏9级强烈地震,受强烈地震和海啸影响,福岛第一核电站1号、3号机组发生氢气爆炸,2号反应堆容器爆炸,导致核泄漏,地球表面都检测到了微量的核裂变时所产生的放射性物质污染.核泄漏中涉及到原子核的衰变、放射性元素的半衰期、核能等众多原子物理方面的知识,下面就结合核泄漏中的相关问题进行探究.

1 有关核泄漏中放射出的相关射线的探究

例1.(1)福岛核电站反应堆均为以普通水作为冷却剂和中子减速剂的沸水反应堆,核反应中会有大量射线释放,原子核U经放射性衰变①变为h原子核,继而经放射性衰变②变为原子核a,再经放射性衰变③变为原子核U,放射性衰变①、②和③放出的射线依次为________射线、________射线、________射线.

(2)核电站泄漏射线会引发白血病和其他类型肿瘤,还会使人寿命缩短,为了检测福岛核电站核泄漏中的不同射线,可用如图1所示装置判别,置于铅盒中的核泄漏放射性物质发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔后,铝箔后的空间有一匀强电场,射线进入电场后变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,则图中a为____射线,b为_________射线.

图1

(2)α射线不能穿过铝箔,a、b不可能为α射线;在电场中不偏转的射线是不带电的,a为γ射线;偏转的b射线只能是带负电的β射线.

2 有关核泄漏中的放射性元素衰变的探究

例2.碘-131放出的β射线可杀伤一部分甲状腺细胞,使甲状腺缩小,导致甲状腺合成的甲状腺激素减少,使甲亢表现消失.2011年3月26日,在我国黑龙江省东北部空气中发现了极微量的人工放射性核素碘-131,但这些极微量的放射性物质对我国环境和公众健康不会产生影响,随后东部沿海地区也有类似发现.碘-131的半衰期为8天.

(2)随着天气转暖则其半衰期_______(选填“变大”、“不变”或“变小”),你认为其半衰期越小对环境的危害________(选填“越大”、“无关”或“越小”).

(2)放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系,故天气转暖,碘-131半衰期不变.半衰期越小,环境中的碘-131的衰变对环境和公众健康也就越早结束,不会长期担忧.

例3.放射性铯-137是日本核泄露中核裂变反应所生成的产物之一.其发生衰变会放出粒子β和γ射线,半衰期约为30年.某实验容器中装有受放射性铯污染的水,其放射强度是安全值的 1.5倍,则

(A)将容器中的水放置30年后,会自然达到安全标准.

(B)含铯-137的水被人饮用后,在人体内会失去放射性.

(C)水烧开后,铯-137仍具有放射性.

(D)用铯-137制成铯酸钾,会失去放射性.

解析:容器中含铯-137的水放置30年后,其放射强度变成刚泄漏时的一半,即为安全值的0.75倍,达到安全标准;因为放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态和外部条件无关,故人饮用了含铯-137的水,不会失去放射性,将含铯-137的水烧开也不会影响放射性;将铯-137发生化学变化,制成铯酸钾也不会失去放射性.故选(A)、(C).

例4.核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少,但安全是核电站面临的非常严峻的问题.日本核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,钚的危险性在于它对人体的毒性,与其他放射性元素相比钚在这方面更强,一旦侵入人体,就会潜伏人体肺部、骨骼等组织细胞中,破坏细胞基因,提高患癌症的风险.已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24 100年,其衰变方程为下列有关说法正确的是

(A)X原子核中含有143个中子.

(B)100个 Pu经过24 100年后一定还剩余50个.

(C)由于衰变时释放巨大能量,根据 ΔE=mc2,衰变过程总质量增加.

(D)衰变发出的放射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力.

3 有关核泄漏中放射性元素衰变释放能量的探究

例5.(1)碘-131放出β粒子后,产生新核氙(Xe131),核反应方程为_______.新核处于高能级,它向低能级跃迁辐射γ光子.若 Xe131辐射出波长为λ的光子,普朗克常量为h,真空中光速为c,则该原子核辐射γ光子前后的能级差为________.

(2)β衰变来源于核内的中子,是核内弱相互作用把一个中子(质量m0)转变成一个质子(质量 m1)、一个电子(质量m2)和一个反电子中微子(质量m3).此过程释放的能量是________.

由玻尔理论可知E=Em-En(m＞n).

由普朗克能量子可知,辐射光子的能量为

(2)由爱因斯坦质能方程可知E=Δmc2,根据质量亏损可知 Δm=m0-m1-m2-m3.即此过程释放的能量为

例6.某一静止的碘-131原子核放出β粒子和γ光子,β粒子的动能为E1,动量大小为p1,γ光子的能量为E2,动量大小为p2,反应产生的新核氙的动能为E3,真空中光速为c,则(1)此反应过程中的质量亏损是多少?(2)若辐射的γ光子的方向与氙核的方向相同,则氙核的动量大小为多少?

解析:(1)设核反应中释放的核能为 ΔE,质量亏损为Δm,则根据爱因斯坦质能方程可知

ΔE=Δmc2.

根据题意,释放出的能量一部分转化为衰变后新核氙的动能和β粒子的动能,另一部分转化为γ光子的能量,即

(2)设氙核的动量大小为p,由动量守恒得

解得p=p1-p2.

例7.日本核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,钚的危险性在于它对人体的毒性,与其他放射性元素相比钚在这方面更强,钚(Pu)核发生衰变时发出α射线和γ光子.已知钚(Pu)核发生α衰变时,其中子的质量mn,质子的质量mp,α粒子的质量mα,真空中的光速为 c.求α粒子的比结合能.

解析:发生α衰变的实质是钚(Pu)核中的两个中子和两个质子生成氦核,即H+n→e,由爱因斯坦质能方程可知

根据质量亏损可知

则α粒子的比结合能为

发展核电是实现未来清洁能源发展目标的重要途径之一,核电站的安全已经成了全世界人类共同关注的问题,经过了日本这次灾难,核电站的安全性将会得到空前的提高.人类在发展核电的同时,将会运用先进的科学技术来防止放射线和放射性物质的泄漏,以避免射线对人体的伤害和放射性物质对地球上的水源和空气的污染.