جواب تمرینات آخر فصل ۶ فیزیک دوازدهم - همیار آموزش

جواب صفحه ۱۵۵ و ۱۵۶ فیزیک دوازدهم ریاضی /  فصل ۶ فیزیک دوازدهم ریاضی / پرسش‌ها و مسئله‌های فصل ۶ صفحه ۱۵۵ و ۱۵۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

جواب صفحه ۱۵۵ فیزیک دوازدهم ریاضی

۱-۶ ساختار هسته 155
۱- مرتبه بزرگی تعداد نوترون‌هایی را که می‌توان تنگ هم در یک توپ تنیس به شعاع ۳/۲cm جای داد، تخمین بزنید. در این صورت مرتبه بزرگی جرم این توپ چقدر است؟
(مرتبه بزرگی شعاع و جرم نوترون را به در نظر بگیرید.)

۲- برای ^۲۰۸_۸۲Pd مطلوب است:

الف) تعداد نوکلئون‌ها   

ب) تعداد نوترون‌ها

پ) بار الکتریکی خالص هسته

هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است که نوترون بار ندارد و بار پروتون مثبت است. پس بار الکتریکی خالص هسته مثبت است.

۳- در هر یک از موارد زیر نماد X چه عنصری را نشان می‌دهد و در هسته هر یک چند نوترون وجود دارد؟ در صورت لزوم از جدول تناوبی استفاده کنید.

۴- آیا می‌توان ایزوتوپ
$$ {۶۱ \atop ۲۵ }X $$ را با روش شیمیایی از ایزوتوپ $$ {۵۹ \atop ۲۵ }X $$ جدا کرد؟ از ایزوتوپ $$ {۶۱ \atop ۲۶ }y $$ چطور؟ پاسخ خود را توضیح دهید.
جواب: خیر، زیرا عدد اتمی هر دو (z=۲۵) یکسان است و هر دو آرایش الکترونی و خواص شیمیایی مشابه یکدیگر دارند و با روش شیمیایی نمی‌توان آنها را از هم جدا کرد و فقط از روش‌های فیزیکی با توجه به تفاوت جرم می‌توان این دو ایزوتوپ را از هم جدا کرد.
ایزوتوپ $$ {۶۱ \atop ۲۵ }X $$ به روش شیمیایی از ایزوتوپ $$ {۶۱ \atop ۲۶}X $$ قابل جداسازی است، چون عدد اتمی یکسانی نداشته و خواص شیمیایی کاملاً متفاوتی دارند.

۲-۶ پرتوزایی طبیعی و نیمه عمر
۵- جاهای خالی در فرایندهای واپاشی زیر نشان دهنده یک یا چند ذره است. در هر واکنش، جای خالی را کامل کنید.

۶- هسته دختر به دست آمده از هر یک از واپاشی‌های زیر را به صورت $$ {A \atop Z }X $$ مشخص کنید.
الف) واپاشی α انجام دهد.
ب) سدیم واپاشی ⁻β انجام دهد.
پ) نیتروژن واپاشی ⁻β انجام دهد.
ت) واپاشی ⁺β انجام دهد.  

۷- سرب هسته دختر پایداری است که می‌تواند از واپاشی α یا واپاشی ⁻β حاصل شود. فرایندهای مربوط به هر یک از این واپاشی‌ها را بنویسید. در هر مورد هسته مادر را به صورت مشخص کنید.جواب به روش دوم:

۸- نپتونیم ایزوتوپی است که در راکتورهای هسته‌ای تولید می شود. این ایزوتوپ ناپایدار است و واپاشی آن از طریق گسیل ذرات α، β⁻، α و α صورت می‌گیرد. پس از وقوع تمام این واپاشی‌ها، عدد اتمی و عدد جرمی هسته نهایی چقدر است؟

۹- شکل زیر نمودار تغییرات تعداد هسته‌های مادر پرتوزای سه نمونه را برحسب زمان نشان می‌دهد. نیمه عمر این سه نمونه را با هم مقایسه کنید.

جواب: زمان نیمهعمر، زمانی است که تعداد هستههای  اولیه (N_۰) نصف میشود.

با توجه به نمودار و تعیین نیمه عمر سه نمودار میتوان نتیجه گرفت.

۱۰-هنگامی که نیتروژن جوّ زمین توسط پرتوهای کیهانی (که معمولاً از جنس پروتون، ذره‌های α و الکترون هستند) بمباران می‌شود، ایزوتوپ پرتوزای کربن ۱۴ با آهنگ ثابتی در لایه‌های فوقانی جو تولید می‌شود. این کربن پرتوزا، با کربن ۱۲ که به طور طبیعی در جو وجود دارد درهم می‌آمیزد. بررسی‌ها نشان داده است که به ازای هر ۱۰۰۰۰ میلیارد اتم پایدار کربن ۱۲، تقریباً یک اتم پرتوزای کربن ۱۴ از این طریق وارد جوّ می‌شود. اتم‌های کربن جوّی از طریقفعالیت‌های بیولوژیکی از قبیل فتوسنتز و تنفس، به نحو کاتوره‌ای مکان خود را عوض می‌کنند و به بدن جانداران منتقل می‌شوند. به طوری که اتم‌های کربن هر موجود زنده شامل کسر کوچک و ثابتی از ایزوتوپ پرتوزای کربن ۱۴ است. وقتی موجود زنده‌ای می‌میرد، مقدار کربن پرتوزای به تله افتاده در موجود غیر زنده، با نیمه عمر ۵۷۳۰ سال رو به کاهش می‌گذارد. کربن ۱۴ موجود در یک نمونه زغال قدیمی، ۱/۵۶ درصد (معادل ۱۶۴) مقدار عادی کربن ۱۴ موجود در زغالی است که تازه تولید شده است. سن تقریبی این زغال قدیمی چقدر است؟

جواب صفحه ۱۵۶ فیزیک دوازدهم ریاضی

۱۱- نیمه عمر بیسموت ۲۱۲ حدود ۶۰ دقیقه است. پس از گذشت چهار ساعت، چه کسری از ماده اولیه، در نمونه‌ای از این بیسموت، باقی می‌ماند؟

۳-۶ شکافت هسته‌ای
۱۲- معادله زیر بخشی از واکنشی را نشان می‌دهد که در یک راکتور هسته‌ای روی می‌دهد.

الف) اهمیت عددهای ۲۳۵ و ۹۲ را توضیح دهید.
جواب: ۹۲ عدد اتمی بوده که محل عنصر در جدول تناوبی و خواص شیمیایی و آرایش الکترونی عنصر را مشخص می‌کند. ۲۳۵ عدد جرمی است که نشان داده ایزوتوپ اورانیم است که ^۲۳۵U از دیگر ایزوتوپ‌های آن برای شکاف هسته‌ای مناسب است.
ب) اتم‌های ناپایدارند و خود به خود به قطعه‌هایی کوچک‌تر همراه با تعدادی نوترون سریع (بین ۲ تا ۵ عدد) و مقدار زیادی انرژی واپاشیده می‌شود. این فرایند چه نام دارد و انرژی آزاد شده در این فرایند چگونه تعیین می‌شود؟
جواب: شکف هسته‌ای نام دارد. در واکنش‌های شکاف هسته‌ای جرم محصولات شکافت، کمتر از جرم هسته‌ای مرکب است، این اختلاف جرم بنابر رابطه E=mc^۲ سبب آزاد شدن انرژی گرمایی می‌شود که قابل اندازه‌گیری است.
پ) اورانیم ۲۳۵ عمدتاً نوترون‌های با تندی کم را جذب می‌کند تا نوترون‌های سریع را. توضیح دهید چگونه تندی نوترون‌ها را در قلب راکتور کم می‌کنند.
جواب: آب معمولی (H۲O) آب سنگین (D۲O) و گرافیت (اتم‌های کربن) از جمله موادی هستند که به عنوان کُندساز نوترون‌ها استفاده می‌شوند.
ت) چگونه تولید انرژی را در قلب راکتور کنترل می‌کنند؟
جواب: با وارد کردن میله‌های کنترل به داخل راکتور، آهنگ واکنش شکافت، یعنی تعداد نوترون‌های موجود برای به وجود آوردن شکافت، تنظیم می‌شود. میله‌های کنترل معمولاً از مواد جذب‌کننده نوترون، مانند کادمیم یا بور، ساخته می‌شوند.
ث) واکنش زنجیری را توضیح دهید.
جواب: در فرایند شکافت یک نوترون،، شکافت اورانیم را آغاز می‌کند و بر اثر شکافت سه نوترون به وجود می‌‌آید. و این سه نوترون باعث شکافت در سه هسته اورانیم دیگر شده و نه نوترون آزاد می‌کند. اگر این نوترون‌ها نیز موفق به شکافت‌ اتم‌های اورانیم شوند، بیست و هفت نوترون آزاپد می‌شود و … این رشته را واکنش زنجیره‌ای می‌نامند.
ج) انرژی به صورت گرما در قلب راکتور تولید می‌شود. چگونه گرما از قلب راکتور گرفته و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؟
جواب: معمولاً شاره‌ای مانند آب برای خارج ساختن گرما از راکتور وجود دارد.آبی که سوخت هسته‌ای را احاطه کرده است تحت فشار زیاد (حدود ۱۵۰ اتمسفر) قرار دارد تا بدون جوشیدن به دماهای زیاد برسد و این آب گرما به دستگاهی با آب کم‌فشار منتقل می‌کند که با تولید بخار توربین و ژنراتور الکتریسیته را به کار می‌اندازد و انرژی الکتریکی تولید می‌‌شود.
چ) هنگامی که میله‌های سوخت از مرکز راکتور بیرون کشیده می‌شوند، آنها «پرتوزا» و «ایزوتوپ‌»‌هایی با «نیمه‌عمر» طولانی هستند. واژه‌های داخل گیومه را توضیح دهید.
جواب: پرتوزا به عنصرهایی که هسته‌های ناپایدار دارند گفته می‌شود که به طور خود بهخودی بدون تأثیر پذیری از شرایط خارجی پرتوهایی را گسیل می‌دارند که باعث آلودگی محیط اطراف خود می‌شوند. ایزوتوپ به عنصرهای اطلاق می‌شوند که عدد اتمی یکسانی درند ولی دارای عدد جرمی متفاوت هستند. نیمه‌عمر زمانی است که طول می‌کشد تا تعداد هسته‌های پرتوزای موجود در یک نمونه به نصف برسد.

۱۳- الف) حدود ۰/۷۰ درصد اورانیوم موجود در سنگ معدن طبیعی اورانیم از ایزوتوپ ۲۳۵ تشکیل شده است. در هر واکنش شکافت حدود ۲۰۰MeV انرژی آزاد می‌شود. فرض کنید تمامی ایزوتوپ ۲۳۵ موجود در یک کیلوگرم از این اورانیم بتواند بر اثر شکافت، انرژی خود را آزاد کند. مقدار این انرژی برحسب مگاالکترون ولت (MeV) و ژول (J) چقدر است؟

ب) با سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ، حدود ۳MJ انرژی گرمایی آزاد می‌شود. چند کیلوگرم زغال سنگ باید بسوزد تا معادل انرژی به دست آمده در قسمت الف، انرژی تولید شود؟
انرژی حاصل از ۷ گرم اورانیوم معادل سوختن ۱۹/۱ تن زغال است.

۱۴- یکی از واکنش‌های ممکن در شکافت ، داده شده است. در این واکنش عدد اتمی Z، عدد جرمی A و عنصر X را در تعیین کنید.جواب: نیوبیم

۱۵- در واکنش زیر چه تعداد نوترون تولید می‌شود؟

جواب:

۱۶- بازده نیروگاه هسته‌ای بوشهر حدود ۳۵ درصد است. یعنی ۶۵ درصد انرژی حاصل از شکافت ایزوتوپ اورانیم ۲۳۵، به صورت گرما تلف و حدود ۳۵ درصد آن، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. با توجه به اینکه در هر شکافت حدود ۲۰۰MeV انرژی آزاد می‌شود، چند کیلوگرم اورانیم ۲۳۵ در سال شکافت پیدا می‌کند؟ (فرض کنید نیروگاه در طول سال با توان پایدار ۱۰۰۰ مگاوات کار می‌کند.)

۴-۶ گداخت هسته‌ای
۱۷- انرژی آزاد شده در هر واکنش شکافت اورانیم ۲۳۵ با یک نوترون کُند حدود ۲۰۲/۵MeV و در هر واکنش گداختِ دوتریم با تریتیم حدود ۱۷/۶Me است.
الف) تعداد نوکلئون‌های شرکت کننده در هر واکنش شکافت چقدر است؟ انرژی آزاد شده به ازای هر نوکلئون را حساب کنید.
جواب: تعداد نوکلئونهای واکنش شکاف اورانیوم:  انرژی هر نوکلئون

ب) تعداد نوکلئون‌های شرکت کننده در هر واکنش گداخت چقدر است؟ انرژی آزاد شده به ازای هر نوکلئون را حساب کنید. ۵ نوکلئون در واکنش گداخت شرکت می‌کنند.

پ) نتیجه‌های قسمت (الف) و (ب) را با یکدیگر مقایسه کنید. با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی، و با توجه به اینکه مواد قابل شکافت مانند  به مقدار بسیار کمی در طبیعت وجود دارد ولی دوتریم به طور فراوان در آب اقیانوس‌ها و دریاها موجود است و جدا کردن آن از هیدروژن معمولی آسان و کم هزینه است، اهمیت این مقایسه را توضیح دهید.
مقدار انرژی آزاد شده هر نوکلئون در واکنش گداخت هسته ای(دوتریم با تریتیم) ۴/۱ برابر مقدار انرژی آزاد شده هر نوکلئون شکافت هسته ای است
تولید انرژی بیشتر و پرتوزایی کمتر و نداشتن پسماند و هسته های باقی مانده از اهمیت های واکنش گداخت است.