Најважније из лекције
Енергетика: Контролисана фисија у нуклеарним реакторима обезбеђује око \(20\%\) светске струје и покреће подморнице и ледоломце.
Нуклеарна фузија: Спајање језгара деутеријума и трицијума ослобађа огромну енергију, али захтева температуре од \(10^7\text{ K}\).
Медицина: Радиоактивни маркери и ПЕТ скенери за дијагностику; радиоизотопи (нпр. јод) за лечење малигних болести.
Датирање: Одређивање старости фосила и стена мерењем преостале радиоактивности и коришћењем периода полураспада.
Заштита: Нуклеарно оружје (фисионе и термонуклеарне бомбе) и хаварије представљају велику опасност; заштита се постиже кратким излагањем, већом удаљеношћу и оловним/бетонским заклонима.
Нуклеарна фузија: Спајање језгара деутеријума и трицијума ослобађа огромну енергију, али захтева температуре од \(10^7\text{ K}\).
Медицина: Радиоактивни маркери и ПЕТ скенери за дијагностику; радиоизотопи (нпр. јод) за лечење малигних болести.
Датирање: Одређивање старости фосила и стена мерењем преостале радиоактивности и коришћењем периода полураспада.
Заштита: Нуклеарно оружје (фисионе и термонуклеарне бомбе) и хаварије представљају велику опасност; заштита се постиже кратким излагањем, већом удаљеношћу и оловним/бетонским заклонима.
Нуклеарна енергија ослобођена у процесу контролисане фисије у нуклеарним реакторима користи се за производњу електричне енергије и као погонско гориво.
Нуклеарне електране производе око једне петине (20%) укупне електричне енергије у свету користећи топлоту ослобођену цепањем тешких језгара (фисијом).
Нуклеарни погон омогућава дуготрајну пловидбу без потребе за честим допуњавањем горива, што се примењује код великих подморница и специјализованих бродова ледоломаца.
Ледоломци на нуклеарни погон користе енергију нуклеарног реактора да дуго и неометано плове кроз залеђена поларна мора без потребе за класичним горивом.
Која је главна предност нуклеарног погона код подморница у односу на конвенционални дизел погон?
Нуклеарни реактор не троши кисеоник за сагоревање горива и поседује огромну енергетску густину, што омогућава подморници да месецима остане под водом без израњања и без допуне горива.
Контролисана нуклеарна фузија је процес спајања лаких језгара (најчешће изотопа водоника: деутеријума и трицијума) уз ослобађање огромне количине енергије.
Главни технички проблем за изградњу фузионих електрана је постизање и одржавање изузетно високе температуре од око \( 10^7\text{ K} \) (\(10\text{ милиона келвина}\)) у реактору.
Фузија представља безбеднији и готово неизцрпан извор енергије, али због екстремних техничких услова још увек није у комерцијалној употреби.
Која језгра се спајају у најперспективнијој технологији фузионих реактора?
Спајају се изотопи водоника - деутеријум (\( _{1}^{2}\text{H} \)) и трицијум (\( _{1}^{3}\text{H} \)).
Нуклеарна медицина је грана медицине која користи својства радиоактивних изотопа за дијагностику и терапију различитих болести.
Дијагностика: Радиоактивни маркери и ПЕТ скенери (позитронска емисиона томографија) омогућавају рану дијагностику тешких обољења снимањем функционалног стања ткива и органа.
Терапија (радиотерапија): Радиоизотопи емитују зрачење које уништава малигне ћелије канцера.
Радиоактивни изотоп јода се користи за лечење рака штитне жлезде јер се јод природно концентрише у том органу, па зрачење циљано уништава оболело ткиво.
Како се назива уређај који помоћу радиоактивних маркера омогућава рану дијагностику обољења?
То је ПЕТ скенер (скенер за позитронску емисиону томографију).
Одређивање старости фосила, археолошких налаза, древних стена и саме Земље врши се методом анализе радиоактивних изотопа са познатим временом полураспада.
Мерењем преостале количине радиоактивног изотопа у узорку и упоређивањем са количином стабилних производа распада може се тачно израчунати колико је времена прошло од настанка узорка.
Шта представља период полураспада радиоактивног елемента?
Период полураспада (\(T_{1/2}\)) је време за које се распадне половина почетног броја нестабилних језгара неког радиоактивног елемента.
Атомске бомбе користе неконтролисану ланчану реакцију нуклеарне фисије (цепање тешких језгара).
Хидрогенске (термонуклеарне) бомбе користе процес нуклеарне фузије и могу бити и до хиљаду пута јаче од фисионих бомби.
Неконтролисано зрачење и велике хаварије реактора (нпр. Чернобиљ 1986. и Фукушима 2011.) остављају дуготрајне радиоактивне последице по здравље људи и животну средину.
Три основна принципа заштите од зрачења:
- Што краће време излагања извору зрачења.
- Што већа удаљеност од извора зрачења.
- Употреба одговарајућих заклона и заштитне опреме (олово, бетон).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који се процес користи за добијање енергије у данашњим нуклеарним електранама, а који у хидрогенским бомбама?
У данашњим нуклеарним електранама користи се контролисана нуклеарна фисија (цепање тешких језгара), док се у хидрогенским бомбама користи неконтролисана нуклеарна фузија (спајање лаких језгара).
Задатак 2 (средњи): Наведите барем три области људске делатности у којима се практично примењују радиоактивни изотопи и укратко објасните њихову улогу у свакој.
- Медицина: За дијагностику (радиоактивни маркери, ПЕТ скенер) и терапију тумора (радиоактивни јод за штитну жлезду).
- Археологија и геологија: За одређивање старости фосила, археолошких предмета и стена помоћу времена полураспада изотопа.
- Енергетика и саобраћај: Као гориво за нуклеарне електране, подморнице и ледоломце.
Задатак 3 (средњи): Која је основна разлика по разорности између фисионог (атомског) и фузионог (термонуклеарног) оружја?
Термонуклеарне (хидрогенске) бомбе, које раде на принципу фузије, могу ослободити знатно више енергије и бити и до хиљаду пута јаче од фисионих (атомских) бомби.
Задатак 4 (тежак): Узорak дрвета пронађен у археолошком налазишту садржи само \( \frac{1}{4} \) почетне количине радиоактивног изотопа угљеника. Ако је период полураспада тог изотопа \( T_{1/2} = 5730 \text{ година} \), колико је стар пронађени узорак?
Након једног периода полураспада (\(T_{1/2}\)), преостане \( \frac{1}{2} \) почетне количине језгара.
Након два периода полураспада (\(2 \cdot T_{1/2}\)), преостане: \[ \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4} \text{ почетне количине.} \] Дакле, прошла су два периода полураспада: \[ t = 2 \cdot 5730 \text{ година} = 11460 \text{ година.} \] Одговор: Старост узорка је \( 11460 \text{ година} \).
Након два периода полураспада (\(2 \cdot T_{1/2}\)), преостане: \[ \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{4} \text{ почетне количине.} \] Дакле, прошла су два периода полураспада: \[ t = 2 \cdot 5730 \text{ година} = 11460 \text{ година.} \] Одговор: Старост узорка је \( 11460 \text{ година} \).
