Sa descoperim mai multe despre nucleul atomic!

Nucleul atomic

                          În urma experimentelor s-a stabilit că masa atomului şi toată sarcina pozitivă este concentrată într-un volum mic in centrul atomului, zonă numită nucleu atomic. În jurul nucleului gravitează un număr de electroni care compensează sarcina pozitivă a nucleului.

La sfârşitul secolului trecut a fost descoperită radioactivitatea. Emisia din atomi a unor particule încărcate şi neutre din punct de vedere electric, cum ar fi radiaţiile: alfa, beta, gama, s-a constat că ar fi emise din nucleu. Acest lucru a dus la concluzia că nucleul ar avea şi el o structură.

După descoperirea neutronului de către Chadwick în 1932, Heisenberg şi Ivanenko au elaborat în 1933 modelul protono-neutronic al nucleului. Conform acestui model, nucleul este alcătuit din protoni şi neutroni. Un nucleu este format din Z protoni şi A-Z neutroni.

Acest model este în concordanţă cu rezultatele experimentale referitoare la sarcina, masa şi spinul nuclear.

În funcţie de numărul de protoni şi neutroni nucleele au fost împărţite în:

Izobari au aceeaşi greutate, acelaşi A:

Izotopi au acelaşi număr de ordine, acelaşi Z:

Izotoni acelaşi număr de neutroni, acelaşi A-Z:

Izomeri acelaşi Z, acelaşi A, dar au timpul de viaţă diferit, ceea ce înseamnă că izomerii constituie acelaşi mediu în diverse stări de excitare. Trecerea dintr-o stare în alta se face prin emisia unui foton de la unul la altul.

Nuclee oglindă perechi de izobari în care numărul de protoni dintr-un nucleu este egal cu numărul de neutroni din celălalt nucleu:.

Sarcina nucleului atomic reprezintă numărul de protoni din nucleu:

. Determinarea sarcinii nucleului înseamnă determinarea numărului de ordine Z.

Sa descoperim mai multe despre efectele energiei nucleare !

	Energia nucleara si efectele sale

          Vreme de decenii, radiaţiile ionizate au constituit doar o curiozitate de laborator, cunoscută numai câtorva iniţiaţi. Descoperirea radioactivităţii artificiale şi apoi aceea a fisiunii uraniuli, în deceniul al patrulea al acestui secol, au dat un puternic imbold cercetărilor de fizică nucleară. Pentru marele public, energia nucleară a ieşit însă din anonimat abia după aruncarea celor două bombe atomice în 1945 asupra Japoniei.

          Constuirea reactorilor nucleari şi posibilitatea de a utiliza aceste instalaţii pentru a produce energie electrică în cantitate mare, au transferat apoi problema cercetării radiaţiilor, şi odată cu aceasta şi problema protecţie contra radiaţiilor, în plin domeniu industria şi economic.

          Creşterea necontenită a numărului de reactori nucleari şi a puterii acestora necesită aplicarea unor măsuri de securitate pentru a evita eventualele accidente şi consecinţele lor ca de exemplu cel de la Windscale, Anglia în octombrie 1957 când au fost eliminate în mod accidental în atmosferă importante substanţe radioactive care au produs contaminarea solului, a producţiei agricole şi a apei potabile din întreaga regiune.

Prin poluare, sau contaminare, radioactiva, se înţelege prezenţa nedorită sau accidentală, a materialelor radioactive, în interiorul sau la suprafaţa unor factori de mediu (cum sunt apa, aerul, alimentele) sau în organisme vii situaţie în care se depăşeşte conţinutul radioactiv natural propriu al produsului respectiv.      

Una din principalele surse de poluare radioactivă a globului pământesc îşi avea provenienţa în exploziile nucleare din atmosferă.

Dacă la 16 iulie 1945 în deşertul Alamogordo, statul New Mexico a avut loc prima explozie experimentală a unei bombe atomice lucrurile nu s-au oprit aici şi la 6 august 1945 ora 8:15 la Hiroshima în Japonia explodează prima bombă aruncată asupra populaţiei, ca măsură militară de distrugere, pentru ca în 9 august 1945 să explodeze cea de-a doua bombă atomică la Nagasaki. 

În 1956 existau în evidenţa spitalelor 6000 de bolnavi la Hiroshima şi 3000 de bolnavi la Nagasaki cu sechele după iradiere, care necesitau diferite tratamente, la momentul actual în lume existând aproximativ 300000 de persoane ca victime ale exploziilor nucleare.

La 22 ianuarie 1954 marinarii vasului “Fukuriumarii no.5” au sesizat un fenomen neobişnuit, globul de foc al exploziei termonucleare de pe atolul Bikini. Drept urmare toţi membrii echipajului şi peştele prins au fost afectaţi de cenuşa radioactivă atât la suprafaţă cât şi în interiorul organismului.

Altă urmare a acestei explozii a fost căderea ploilor radiactive în luna mai a aceluiaşi an, radioactivitatea menţinându-se la un nivel măsurabil până în septembrie1954.

Imediat după 1954 L. Pauling a demonstrat că izotopul C¹⁴ apare în mod artificial cu o frecvenţă crescândă, depunându-se pe sol. Tot el a atras atenţia asupra prezenţei izotopului Sr⁹⁰ în depunerile atmosferice de pe teritoriul S.U.A.

          Poluarea radioactivă a atras atenţia pentru prima oară în mod deosebit în anul 1965 la Salt Lake City în Statele Unite ale Americii, când nouă adolescenţi au fost internaţi în spital datorită unor noduli anormali ai glandei tiroide. Anchetarea cazurilor a condus la constatarea că aceşti copii, cu 15 ani în urmă (1950), au suferit consecinţele unor depuneri atmosferice radioactive provenite de la poligonul din Nevada, aceste depuneri conţinând izotopul I-131.

          Studii recente au arătat că datorită tuturor cauzelor  de poluare radioactivă, doza de radiaţii pe cap de locuitor a crescut în ultimii 20 de ani de 5 până la 10 ori.

          Iradierea îndelungată, chiar cu doze mici, poate produce leucopenii, la malformaţii congenitale, pe când iradierea cu doze mari duce la accentuarea leucopeniei, la eriteme, la hemoragii interne, căderea părului, sterilitatea completă iar în cazurile extreme produce moartea.

          Printre principalele surse de poluare radioactivă se numără:

a)     Utilizarea practică în industrie, medicină, cercetare a diferitelor surse de radiaţii nucleare, care, ca materiale radioactive, se pot răspândi necontrolate în mediu

b)    Exploatări miniere radioactive, la extragere, prelucrare primară, transport şi depozitare, pot contamina aerul, prin gaze şi aerosoli, precum şi apa prin  procesul de spălare

c)     Metalurgia uraniului sau a altor metale radioactive şi fabricarea combustibilului nuclear, care prin prelucrări mecanice, fizice, chimice, poate cuprinde în cadrul procesului tehnologic şi produşi reziduali gazoşi, lichizi sau soliziŞ stocarea, transportul eventual evacuarea lor pot determina contaminarea mediului

d)    Instalaţiile de rafinare şi de retratare a combustibilului nuclear

e)     Reactorii nucleari experimentali sau de cercetare, în care se pot produce industrial noi materiale radioactive  

f)      Centralele nuclearoelectrice care poluează mai puţin în cursul exploatării lor corecte, dar mult mai accentuat în cazul unui accident nuclear

g)     Exploziile nucleare experimentale, efectuate îndeosebi în aer sau în apă şi subteran, pot contamina vecinătatea poligonului cât şi întregul glob, prin depunerea prafului şi aerosolilor radioactivi, generaţi de către ciuperca exploziei

h)    Accidentele în transportul aerian, maritim, feroviar sau rutier a celor mai felurite materiale radioactive.

Principalele elemente ce contribuie la poluarea radioactivă sunt clasificate şi după gradul de radioactivitate după cum urmează:

a)     Grupa de radiotoxicitate foarte mare: ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra, ²¹⁰Po, ²³⁹Pu

b)    Grupa de radiotoxicitate mare: ⁴⁵Ca, ⁸⁹Sr, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I, U natural

c)     Grupa de radiotoxicitate medie: ²⁴Na, ³²P, ⁶⁰Co, ⁸²Br, ²⁰⁴ Tl, ²²Na, ⁴²K, ⁵⁵Fe

d)    Grupa de radiotoxicitate mică: ³H, ¹⁴C, ⁵¹Cr, ²⁰¹Tl

Clasificarea efectelor biologice
Efectele somatice bine conturate	Precoce	Eritem, leucopenie, epilaţie
	Întârziată	Cancer de piele, osteosarcom
Efectele somatice stochastice	Precoce	Tulburări neuro-vegetative
	Întârziată	Leucemie, cancer tiroidian
Efecte genetice	Prima generaţie	Malformaţii ereditare şi congenitale; reducerea natalităţii
	Generaţiile următoare	Malformaţii recesive, diminuarea capacităţii imunobiologice

Dublarea necesităţilor de energie electrică, la fiecare 12-13 ani, a făcut să crească brusc interesul pentru reactorii nucleari, impunând dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice, creştere competitivităţii energiei electrice de origine nucleară şi ridicarea continuă a performanţelor atinse de reactorii acestor centrale, ca temperatura şi presiunea agentului transportor de căldură, a puterii instalate pe unitatea de masă a zonei active a reactorului. Însă fără măsuri de radioprotecţie corespunzătoare, reactorii nucleari pot produce şi

a)     contaminarea parţială a mediului ambiant şi anume

-         a atmosferei, prin produsele de fisiune volatile ca ¹³¹I, ¹³³Xe

-         a apei folosită ca agent de răcire

-         a solului din vecinătatea care se contaminează cu produse de fisiune

b)o mare cantitate de deşeuri radioactive, a căror evacuare pune probleme grele

pentru a evita contaminarea mediului în care se face evacuarea.

Această sursă de energie - energia nucleară – a fost adusă la cunoştinţă omenirii prin forţa distructivă şi va fi multă vreme privită cu teamă şi suspiciune, întâmpinând destule obstacole în drumul dezvoltării ei în scopuri paşnice. De aceea se impune familiarizarea maselor largi cu probleme nucleare, întrucât aplicaţiile paşnice ale energiei nucleare se dovedesc esenţiale pentru progresele şi evoluţia societăţii umane. 

Sa descoperim mai multe despre prima reactie nucleara!

Energia nucleara

In Chicago,S.U.A., o echipa condusa de profesorul italian Enrico Fermi a reusit sa prima reactie nucleara controlata.Era in anul 1942 si aceasta a dus la realizarea bombei atomice.Ceea ce au reusit oamenii de stiinta se numeste “scindarea atomului”.Dar,pentru a fi mai precisi ,ei au gasit o cale de a scinda nucleul-masa de protoni si neutroni din centrul unui atom.In acest proces se distruge o cantite mica de materie .Dar,asa cum prezise fizician Albert Einstein ,in locul ei era eliberata o cantitate mare de energie –sub forma de caldura.In cazul bombei atomice,procesul are loc foarte rapid,avand ca rezultat o explozie brusca si devastaoare de energie.In centralele nucleare are loc aceeasi reactie,darl a o rata mai lenta si controlata

        Fisiunea nucleara       

    Scindarea  nucleului unui atom se numeste fisiune nucleara.Aceasta este provoaca  prin bombardarea combustibilului cu neutroni.Un neutron loveste un nucleu provocand scindarea acestuia si sa emita ma imulti neutroni. Acestia lovesc alte nuclee ,provocand alte scindari si eliberand alti neutroni.Aceata succesiune se numeste reactie in lant.In cazul unei bombei atomice ,reactiei inlant I se permite sa contoinue necontrolataa.Acesta este motivul pentru care energia eliberata in timpul procedului de fisiune se acumuleaza pentru a provoca o explozie violenta.La un reactornuclear,barele de reglare metalice absorb op arte din neutroni ,incetinind reactia si rata la care se elibereaza energie.

                                                                                                                                                  Materiale fisionabile

    Numai cateva elemente pot fi utilizate drept combustibli nucleari deoarece ,pentru a intra intr-o reactie de fisiune in lant ,atomiitrbuie sa aiba nuclee relativ mari si instabile .Asemenea  elemente sunt cunoscute sub numele de materiale fisionabile.Unul dintre dintre cele mai larg folosite la centralele nucleare este uraniul-235,care are 92 de protoni si 143 de neutroni in nucleul sau.Fisiune nucleara a unei mase de uraniu produce o energie de 2 milioane de ori mai mare decat cea obtinuta prin arderea unei mase de carbune de aceeasi greutate.

        Chiar si n aczul unui material fisionabil adecvat ,o reactie in lant va inceta daca este prezenta doar o cantitate mica de material.Numai daca masa depaseste o anumita valoare ,numita masa critica ,reactia in lant se va autointretine.De exemplu ,in cazul uraniului-235 masa critica este de 50 kg.

      Pentru bonbele atomice se folosesc explozivi abisnuiti pentru  a presa 2 bucati  de naterial fisionabil ,fiecare sub masa critica.Masa totala este mai mare decat masa critica ,astfel incat o reactie in lant se creeaza repede provoaca o explozie nucleara.

     Reactorul nuclear al lui Enrico Fermi consta dintr-o masa de grafit si obare de combustibil de uraniu.S-a  mai  adugat grafit si uraniu pana cand cantitatea de uraniu prezenta afost suficienta pentru a intretine o reactie in lant.Grafitul avea rolul uni moderator –un material care incetineste neutronii pentru a-i face mai eficienti in provoacarea fisiunii.Pe masura ce neutronii se lovesc de nucleele moderatorului ,pierd energie si se incetinesc ,asa cum o bila de biliard se incetineste daca loveste alta.

     Asemenea neutroni sunt cunoscuti sub numeele de neutroni termici,deoareca cand sunt incetiniti,ei au aproximativ aceeasi energie ca si energia termica a atomilor si moleculelor din jur.Barele de reglare din cadmiu au fost inserate in masa de grafit si uraniu pentrn a controla rata reactiei prin absorbtia unor neutroni.

         Uraniul din pila lui Fermi consta din 0,7% uraniu-235 si 99,3 uarniu-238(92 de protoni si 146 neutroni per atom).Cand uraniul-238 absorbea un neutron ,nucleul  rezultat de urabiu239 nu fisiona.In schimb,el emitea fotoni sub forma de radiatii gamma,iar apoi emitea electroni(particule cu  o incarcatura de electricitate negativa) cand 2 dintre neutronii sai deveneau protoni .Nucleul rezultat, cu 94 de protoni si 145 de neutroni,era un izotop al unui element necunoscut inainte-plutoniul-239,descoperit in anul 1941.

       Reactoare nucleare  

  Majoritatea reactoarelor nucleare moderne sunt reactoare cu neutroni termici pentru ca ele uitlizeaza un moderator pentru a incetini neutronii rapizi.Cele 3 moderatoare utilizate in reactoarele nucleare moderne  cu neutroni termici sunt grafitul (care consta din carbon pur),apa grea (care contine izotopul de hidrogen stabil numit deuteriu-utilizat de asemenea si drept combustibil pentru armele nucleare) si apa usoara(apa obisnuita)

Dintre cele 3 moderatoare ,initial era preferat grafitul ,in special in Marea Britanie, si este utilizat in reactoarele Magnox racite cu gaz si reactoarele de nalta temperatura racite cu heliu.Utilizarea apei grele a fost mai ales dezvoltat in Canada.Principiul sau avantajos este acela ca risipeste cei mai multi neutroni.Utilizarea apei usoare permite constructia reactoarelor compacte.Acestea sunt utilizate la actionarea unor submarine si nave spatiale

    Radioactivitate in spatiu:

    Navele spatiale care viziteaza planetele exterioare sunt mult prea departe de Soare pentru a putea obtine energie suficienta electrica de la radiatii solare ce cad pe bateriile solare aranjate pe panouri.Astfel,sondele Voyager sunt dotate cu generatoare termoelctrice cu radioizotopi.Acestia contin oxid de plutoniu,care emana caldura cand este supus unui process numit dezintegrare radioactive.Acesta caldura este aplicata pe materiale numite miconductori,aranjati astfel inact sa transforme caldura degajata in energie electrica.La lansare alimentarea fiecarei nave spatiale este de 450 de watti,dar energia disponibila scade lent pe masura ce  oxidul de plutoniu este folosit.

   Energia nucleara sub apa:

     Reactorul unui submarin nuclear produce caldura prin fisiune nucleelor substanelor radioactive.prin acest process se divid nucleele atomice eliberand cantitati mari de caldura .Un lichid de racier extrage caldura din reactor si o transfera la apa dintr-un boiler.Apa fierbe producand aburi trecuti in turbinele de propulsie principale si in turbinele legate de generatoarele electrice.caldura transforma apa in aburi.Apoi aburii rotesc turbinele care actioneaza elicele.

Oare cum actioneaza energia nucleara ?

Introducere