Страница 32 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Полезны или нет неустойчивые атомы?

Неустойчивые атомы, также известные как радиоактивные изотопы или радионуклиды, одновременно и чрезвычайно полезны для человечества, и потенциально очень опасны. Их польза или вред определяются исключительно тем, как и для каких целей их используют.

Польза неустойчивых атомов

Свойство неустойчивых атомов самопроизвольно распадаться с испусканием ионизирующего излучения нашло широкое применение во многих сферах деятельности человека:

• Медицина: Это одна из ключевых областей применения радионуклидов.
  Диагностика: В организм в малых, безопасных дозах вводят радиоактивные препараты. Их излучение улавливается специальными детекторами, что позволяет врачам "видеть" работу внутренних органов, кровоток и обнаруживать опухоли. Например, технеций-99m ($^{\text{99m}}\text{Tc}$) используется для сканирования костей, сердца и мозга, а фтор-18 ($^{\text{18}}\text{F}$) является основой позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
  Терапия (лучевая терапия): Мощное направленное излучение, например, от источника с кобальтом-60 ($^{\text{60}}\text{Co}$), или введение специальных радиоактивных препаратов позволяет целенаправленно уничтожать раковые клетки.
  Стерилизация: Гамма-излучением стерилизуют медицинские инструменты, шприцы, перевязочные материалы, так как оно эффективно уничтожает все виды микроорганизмов, не нагревая при этом само изделие.

• Энергетика: Атомные электростанции (АЭС) являются мощным источником энергии. Они вырабатывают электричество за счет тепла, выделяемого в ходе управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых неустойчивых атомов, в основном урана-235 ($^{\text{235}}\text{U}$).

• Наука:
  Радиоизотопное датирование: Измеряя соотношение неустойчивого изотопа и продуктов его распада, ученые с высокой точностью определяют возраст археологических находок и геологических пород. Самый известный метод — радиоуглеродный, использующий углерод-14 ($^{\text{14}}\text{C}$) для датировки органики. Для определения возраста горных пород применяют уран-свинцовый и калий-аргоновый методы.
  Метод меченых атомов: Вводя в систему радиоактивные изотопы, можно проследить их путь в ходе сложных химических реакций или биологических процессов, например, изучать метаболизм растений или работу лекарств.

• Промышленность и быт:
  Датчики дыма: В ионизационных детекторах дыма используется крошечное количество америция-241 ($^{\text{241}}\text{Am}$). Продукты его распада ионизируют воздух; при попадании дыма в камеру ионизация нарушается, что и вызывает срабатывание сигнализации.
  Дефектоскопия: С помощью гамма-излучения "просвечивают" сварные швы, трубопроводы и крупные металлические детали для обнаружения внутренних трещин и дефектов.
  Контроль толщины: В производстве бумаги, фольги или листового металла радиоизотопные толщиномеры позволяют непрерывно и бесконтактно контролировать толщину продукции.

Вред и опасность неустойчивых атомов

Обратной стороной уникальных свойств радионуклидов является их опасность для всего живого:

• Биологическое воздействие: Ионизирующее излучение повреждает и разрушает клетки живых организмов. В зависимости от дозы, это может вызвать острую лучевую болезнь, онкологические заболевания (рак) и генетические мутации, которые могут передаваться потомству.

• Радиоактивное загрязнение: Аварии на ядерных объектах (например, Чернобыльская АЭС, АЭС Фукусима-1) и ненадлежащее хранение радиоактивных отходов приводят к масштабному и долговременному загрязнению окружающей среды — почвы, воды и воздуха.

• Военное применение: Неуправляемая цепная реакция деления лежит в основе ядерного оружия — самого разрушительного из всех, созданных человеком.

Ответ: Неустойчивые атомы не являются однозначно полезными или вредными. Они представляют собой мощный инструмент, который может принести как огромную пользу, так и нанести непоправимый вред. Их польза реализуется в медицине, энергетике, науке и промышленности при строгом контроле и соблюдении мер безопасности. Их опасность заключается в губительном действии радиации на живые организмы, риске долговременного загрязнения планеты и возможности создания оружия массового уничтожения.

1. Укажите радиоактивные и устойчивые элементы в следующем перечне: гелий, кислород, натрий, хлор, технеций, свинец, торий, менделевий, дубний, московий.

Для того чтобы разделить представленные химические элементы на радиоактивные и устойчивые, необходимо проанализировать их изотопный состав. Элемент считается устойчивым (или стабильным), если у него есть хотя бы один стабильный изотоп, то есть изотоп, который не подвержен самопроизвольному радиоактивному распаду. Если же все без исключения изотопы элемента радиоактивны, то и сам элемент классифицируется как радиоактивный.

Устойчивые элементы
Это элементы, имеющие в природе один или несколько стабильных изотопов. Из данного перечня к ним относятся:
- Гелий (He): имеет два стабильных изотопа: гелий-3 и гелий-4.
- Кислород (O): имеет три стабильных изотопа: кислород-16, кислород-17 и кислород-18.
- Натрий (Na): имеет один стабильный изотоп — натрий-23.
- Хлор (Cl): имеет два стабильных изотопа: хлор-35 и хлор-37.
- Свинец (Pb): является самым тяжелым элементом, имеющим стабильные изотопы (свинец-206, свинец-207, свинец-208; изотоп свинец-204 также часто относят к стабильным из-за очень большого периода полураспада).

Радиоактивные элементы
Это элементы, у которых нет ни одного стабильного изотопа. Все их изотопы подвержены радиоактивному распаду. Из данного перечня к ним относятся:
- Технеций (Tc): самый легкий элемент в периодической таблице, не имеющий стабильных изотопов.
- Торий (Th): природный радиоактивный элемент, все его изотопы радиоактивны.
- Менделевий (Md): искусственно синтезированный трансурановый элемент, все изотопы радиоактивны.
- Дубний (Db): искусственно синтезированный трансурановый элемент, все изотопы радиоактивны.
- Московий (Mc): искусственно синтезированный сверхтяжелый элемент, все известные изотопы которого радиоактивны.

Ответ:
Устойчивые элементы: гелий, кислород, натрий, хлор, свинец.
Радиоактивные элементы: технеций, торий, менделевий, дубний, московий.

2. Чем отличаются друг от друга радиоактивные атомы разных элементов?

Радиоактивные атомы разных химических элементов отличаются друг от друга по нескольким фундаментальным признакам, вытекающим из определения химического элемента и строения атомного ядра.

Главное отличие заключается в количестве протонов в ядре. По определению, химический элемент характеризуется уникальным числом протонов (зарядовым числом $Z$). Таким образом, радиоактивные атомы разных элементов обязательно имеют разное число протонов. Например, ядро радиоактивного изотопа углерода-14 ($_{6}^{14}C$) содержит 6 протонов, а ядро радиоактивного урана-238 ($_{92}^{238}U$) — 92 протона.

Это основное различие влечет за собой все остальные:
• Химические свойства: Число протонов в ядре определяет число электронов в электронной оболочке нейтрального атома. Строение электронной оболочки, в свою очередь, диктует химическое поведение элемента. Поэтому радиоактивные атомы разных элементов обладают различными химическими свойствами и занимают разные места в периодической таблице.
• Состав ядра: Помимо разного числа протонов ($Z$), у радиоактивных атомов разных элементов, как правило, разное и число нейтронов ($N$), а значит, и разное массовое число ($A = Z + N$).
• Характеристики радиоактивного распада: Из-за разного состава ядер их радиоактивные свойства также кардинально различаются. К ним относятся тип распада (например, альфа-распад, бета-распад), период полураспада ($T_{1/2}$_ (время, за которое распадается половина ядер) и энергия распада. Все эти характеристики являются уникальными для каждого конкретного радионуклида. Например, период полураспада у $_{6}^{14}C$ составляет ~5730 лет, а у $_{92}^{238}U$ — ~4,5 миллиарда лет.

Ответ: Радиоактивные атомы разных элементов отличаются друг от друга, в первую очередь, числом протонов в ядре, что определяет их принадлежность к разным химическим элементам и их различные химические свойства. Как следствие, они также отличаются составом ядра (числом нейтронов) и своими уникальными радиоактивными характеристиками: типом и энергией распада, а также периодом полураспада.

3. Чем различаются изотопы одного и того же элемента?

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента. Их название происходит от греческих слов «изос» (одинаковый) и «топос» (место), так как они занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Сходство всех изотопов одного элемента заключается в том, что их атомы содержат одинаковое число протонов. Это число, называемое зарядовым числом ($Z$), определяет атомный номер элемента и его химические свойства, поскольку оно же равно числу электронов в нейтральном атоме. Таким образом, у изотопов одного элемента практически идентичные химические свойства.

Основное различие между изотопами заключается в разном количестве нейтронов ($N$) в их атомных ядрах. Это различие приводит к следующим последствиям:

• Разное массовое число. Массовое число ($A$) — это общее число протонов и нейтронов в ядре ($A = Z + N$). Так как число нейтронов у изотопов разное, их массовые числа также различаются. Это означает, что изотопы имеют разную атомную массу.
• Различия в физических свойствах. Из-за разной массы атомов изотопы могут незначительно отличаться по таким физическим свойствам, как плотность, температура кипения, скорость диффузии.
• Разная стабильность ядра. Соотношение числа нейтронов к числу протонов в ядре определяет его стабильность. Некоторые изотопы стабильны, а другие являются радиоактивными (нестабильными) и подвержены самопроизвольному распаду.

Классическим примером являются изотопы водорода:

• Протий ($^{1}\text{H}$): 1 протон, 0 нейтронов. Самый распространенный и стабильный изотоп.
• Дейтерий ($^{2}\text{H}$ или D): 1 протон, 1 нейтрон. Стабильный изотоп.
• Тритий ($^{3}\text{H}$ или T): 1 протон, 2 нейтрона. Радиоактивный изотоп.

Хотя все три разновидности являются водородом (из-за одного протона), их свойства, связанные с массой и стабильностью ядра, различны.

Ответ: Изотопы одного и того же элемента различаются числом нейтронов в ядре, и, как следствие, массовым числом (атомной массой) и некоторыми физическими свойствами, включая ядерную стабильность. При этом число протонов у них одинаково, что обуславливает их идентичные химические свойства.

4. Есть ли радиоактивные изотопы у кислорода?

Да, у кислорода существуют радиоактивные изотопы. Чтобы понять, почему это так, необходимо рассмотреть понятия изотопов и радиоактивности.

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Так как химические свойства элемента определяются числом протонов (и, соответственно, электронов), все изотопы одного элемента химически ведут себя практически одинаково. Однако из-за разного числа нейтронов у них различается массовое число (сумма протонов и нейтронов) и физические свойства, в частности, стабильность ядра.

Радиоактивность — это способность нестабильных атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в ядра других элементов, что сопровождается испусканием частиц (например, альфа- или бета-частиц) и/или энергии в виде гамма-квантов. Стабильность ядра определяется соотношением числа протонов и нейтронов. Для легких элементов наиболее стабильны ядра, у которых число нейтронов примерно равно числу протонов. Значительное отклонение от этого соотношения делает ядро нестабильным, то есть радиоактивным.

Кислород (химический символ O) имеет в таблице Менделеева порядковый номер 8. Это означает, что в ядре любого изотопа кислорода всегда находится ровно 8 протонов.

В природе существуют три стабильных изотопа кислорода:

• Кислород-16 ($^{16}_{8}O$): содержит 8 протонов и 8 нейтронов. Это самый распространенный изотоп, его содержание в природе составляет около 99,76%.
• Кислород-17 ($^{17}_{8}O$): содержит 8 протонов и 9 нейтронов.
• Кислород-18 ($^{18}_{8}O$): содержит 8 протонов и 10 нейтронов.

Все остальные известные изотопы кислорода, которых на данный момент насчитывается более десятка (с массовыми числами от 11 до 28), являются радиоактивными. Они не встречаются в природе в значимых количествах, так как имеют короткие периоды полураспада, и их получают искусственно в ходе ядерных реакций.

Некоторые примеры радиоактивных изотопов кислорода:

• Кислород-15 ($^{15}O$): имеет 8 протонов и 7 нейтронов (недостаток нейтронов). Период полураспада составляет всего 122,24 секунды. Он распадается путем позитронного распада ($β^+$) в стабильный азот-15. Этот изотоп активно используется в медицине в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) для визуализации кровотока и метаболических процессов.
  Реакция распада: $^{15}_{8}O \rightarrow ^{15}_{7}N + e^+ + \nu_e$
• Кислород-19 ($^{19}O$): имеет 8 протонов и 11 нейтронов (избыток нейтронов). Период полураспада — 26,88 секунды. Он претерпевает бета-минус распад ($β^−$), превращаясь в стабильный фтор-19.
  Реакция распада: $^{19}_{8}O \rightarrow ^{19}_{9}F + e^- + \bar{\nu}_e$

Таким образом, у кислорода есть как стабильные, так и радиоактивные изотопы.

Ответ: Да, у кислорода есть радиоактивные изотопы. Все изотопы кислорода, за исключением стабильных $^{16}O$, $^{17}O$ и $^{18}O$, являются радиоактивными. Они имеют короткий период полураспада и получаются искусственным путем.

5. Приведите примеры радиоактивных изотопов, существующих в природе.

Радиоактивные изотопы, существующие в природе, называются естественными радионуклидами. Они являются источником естественного радиационного фона Земли. Их можно разделить на три основные группы:

• Первичные (реликтовые) радионуклиды: это изотопы с очень большим периодом полураспада, сопоставимым с возрастом Земли (около 4,5 млрд лет) или превышающим его. Они сохранились со времен образования Солнечной системы.
• Космогенные радионуклиды: они непрерывно образуются в атмосфере Земли в результате взаимодействия космических лучей с ядрами атомов газов, входящих в состав воздуха (в основном азота и кислорода).
• Радиогенные радионуклиды: это дочерние продукты распада первичных радионуклидов, таких как уран и торий. Они образуют так называемые радиоактивные ряды.

Ниже приведены примеры радиоактивных изотопов из каждой группы.

Примеры первичных радионуклидов:

• Уран-238 ($_{92}^{238}\text{U}$): самый распространенный изотоп урана (более 99% природного урана). Его период полураспада составляет около 4,47 миллиарда лет. Он является родоначальником одного из радиоактивных рядов.
• Торий-232 ($_{90}^{232}\text{Th}$): практически весь природный торий состоит из этого изотопа. Его период полураспада еще больше — около 14,05 миллиарда лет. Он также является родоначальником радиоактивного ряда.
• Калий-40 ($_{19}^{40}\text{K}$): этот изотоп содержится в небольших количествах (около 0,012%) во всем природном калии. Поскольку калий — важный элемент для живых организмов, калий-40 присутствует во всех растениях и животных, включая человека, и является одним из основных источников внутреннего облучения. Его период полураспада — 1,25 миллиарда лет.

Примеры космогенных радионуклидов:

• Углерод-14 ($_{6}^{14}\text{C}$): образуется в верхних слоях атмосферы из азота-14 под действием нейтронов космического излучения. Период полураспада — около 5730 лет. Углерод-14 усваивается живыми организмами вместе со стабильными изотопами углерода. После смерти организма его поступление прекращается, и по оставшемуся количеству $_{6}^{14}\text{C}$ можно определить возраст органических останков (радиоуглеродный анализ).
• Тритий (Водород-3, $_{1}^{3}\text{H}$): изотоп водорода с периодом полураспада 12,3 года. Также образуется в атмосфере под действием космических лучей.

Примеры радиогенных радионуклидов:

• Радий-226 ($_{88}^{226}\text{Ra}$): продукт распада урана-238. Период полураспада — 1600 лет.
• Радон-222 ($_{86}^{222}\text{Rn}$): инертный газ, образующийся при распаде радия-226. Будучи газом, он может выходить из земной коры и накапливаться в непроветриваемых помещениях, создавая радиационную опасность. Период полураспада — 3,8 дня.

Ответ: Примерами радиоактивных изотопов, существующих в природе, являются уран-238 ($_{92}^{238}\text{U}$), торий-232 ($_{90}^{232}\text{Th}$), калий-40 ($_{19}^{40}\text{K}$), углерод-14 ($_{6}^{14}\text{C}$), радий-226 ($_{88}^{226}\text{Ra}$) и радон-222 ($_{86}^{222}\text{Rn}$).

6. Назовите три основные, на ваш взгляд, области применения радиоактивных атомов.

Радиоактивные атомы (радионуклиды) нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности. Можно выделить три ключевые области их использования:

1. Энергетика

Наиболее масштабное применение радиоактивных атомов — это производство электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС). В ядерных реакторах используется свойство тяжелых ядер, таких как уран-235 ($^{235}U$) или плутоний-239 ($^{239}Pu$), делиться при поглощении нейтрона. Этот процесс, называемый цепной ядерной реакцией, сопровождается выделением колоссального количества энергии. Выделяющаяся тепловая энергия используется для нагрева теплоносителя (чаще всего воды), который превращается в пар. Пар под высоким давлением вращает турбину, соединенную с электрогенератором, вырабатывающим электрический ток. Ядерная энергетика является одним из самых мощных и низкоуглеродных источников энергии, не производящим выбросов парниковых газов в атмосферу.

Ответ: В энергетике радиоактивные атомы служат топливом для атомных электростанций, где управляемая цепная реакция их деления используется для выработки электроэнергии.

2. Медицина

В медицине радиоактивные изотопы играют важнейшую роль как в диагностике, так и в лечении заболеваний.
В диагностике используется метод меченых атомов. В организм пациента вводится небольшое количество радиофармпрепарата — вещества, содержащего радионуклид с коротким периодом полураспада (например, технеций-99m ($^{99m}Tc$) или фтор-18 ($^{18}F$)). Этот препарат накапливается в определенных органах или тканях. С помощью специальных детекторов (гамма-камер, ПЭТ-сканеров) регистрируется испускаемое им излучение, что позволяет получить изображение органа и оценить его функциональное состояние, выявить опухоли, воспаления или нарушения кровообращения.
В терапии, в первую очередь в онкологии, применяется лучевая терапия. Мощное гамма-излучение от источников на основе кобальта-60 ($^{60}Co$) или иридия-192 ($^{192}Ir$) направляется на злокачественную опухоль, разрушая раковые клетки и останавливая их рост. Этот метод может быть как внешним (дистанционная лучевая терапия), так и внутренним (брахитерапия), когда источник излучения помещается непосредственно в опухоль или рядом с ней.

Ответ: В медицине радиоактивные атомы применяются для диагностики заболеваний (создание изображений внутренних органов) и для лучевой терапии злокачественных опухолей.

3. Наука, промышленность и сельское хозяйство

Эта область охватывает множество применений.
В науке, особенно в археологии и геологии, широко используется радиоуглеродный анализ. Он основан на измерении содержания радиоактивного изотопа углерода-14 ($^{14}C$) в органических останках, что позволяет с высокой точностью определять их возраст. Другие изотопы, такие как уран-238 ($^{238}U$), используются для датирования горных пород.
В промышленности радиоактивные изотопы применяются для контроля качества продукции (дефектоскопия сварных швов и отливок), для измерения толщины материалов (листовой стали, бумаги), уровня жидкости в закрытых резервуарах. Также мощное гамма-излучение используется для стерилизации медицинских инструментов, материалов и даже пищевых продуктов, так как оно эффективно уничтожает бактерии и микроорганизмы.
В сельском хозяйстве метод меченых атомов помогает изучать процессы усвоения растениями удобрений, что позволяет оптимизировать их внесение. Также облучение семян может вызывать мутации, которые приводят к появлению новых, более урожайных или устойчивых сортов растений.

Ответ: В науке, промышленности и других отраслях радиоактивные атомы используются для датирования древних объектов, контроля качества изделий, стерилизации, а также в качестве "меток" для изучения различных процессов.

7. Почему атомную энергию считают неисчерпаемой?

Атомную (или ядерную) энергию считают практически неисчерпаемой по нескольким ключевым причинам, связанным с колоссальной энергоемкостью ядерного топлива и доступностью его ресурсов в долгосрочной перспективе.

1. Высочайшая концентрация энергии.

В основе получения атомной энергии лежат ядерные реакции (деление тяжелых ядер или синтез легких), в ходе которых часть массы вещества превращается в энергию в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна $E=mc^2$. Поскольку скорость света $c$ является очень большой величиной ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с), даже крошечное изменение массы $\Delta m$ приводит к высвобождению огромного количества энергии $\Delta E$. Например, при делении 1 грамма урана-235 ($^{235}\text{U}$) выделяется столько же энергии, сколько при сжигании примерно 2.5 тонн высококачественного угля. Такая высокая энергоемкость означает, что для обеспечения мировых потребностей в энергии требуется сравнительно небольшое количество ядерного топлива.

2. Огромные запасы потенциального топлива.

Хотя запасы легкодоступного урана-235, используемого в большинстве современных реакторов, ограничены, существуют технологии и ресурсы, которые многократно расширяют топливную базу атомной энергетики:

• Реакторы-размножители (бридеры): Основную часть природного урана (более 99%) составляет изотоп уран-238 ($^{238}\text{U}$), который сам по себе не делится под действием тепловых нейтронов. Однако в реакторах на быстрых нейтронах (бридерах) уран-238 может захватывать нейтрон и превращаться в плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), который уже является эффективным ядерным топливом. Таким образом, можно использовать практически весь природный уран, а не только редкий изотоп $^{235}\text{U}$. Это увеличивает запасы ядерного топлива в десятки раз, делая их достаточными на тысячи лет.
• Ториевый топливный цикл: Другим потенциальным источником является торий, которого в земной коре в 3-4 раза больше, чем урана. Природный торий ($^{232}\text{Th}$) после поглощения нейтрона превращается в уран-233 ($^{233}\text{U}$), который также является отличным ядерным топливом. Освоение ториевого цикла еще больше расширяет ресурсную базу.
• Уран в морской воде: В мировом океане растворено огромное количество урана (около 4.5 миллиардов тонн), что в тысячи раз превышает разведанные наземные запасы. Хотя технологии его извлечения пока дороги, они могут стать экономически выгодными в будущем, что сделает источник топлива практически бесконечным.

3. Перспективы термоядерного синтеза.

Помимо энергии деления, огромный потенциал имеет энергия термоядерного синтеза — процесс, питающий Солнце и звезды. В будущих термоядерных реакторах планируется использовать изотопы водорода — дейтерий ($^2\text{H}$) и тритий ($^3\text{H}$).

• Дейтерий в огромных количествах содержится в обычной воде (примерно 1 атом дейтерия на 6420 атомов обычного водорода). Его запасы в мировом океане поистине неисчерпаемы.
• Тритий можно производить непосредственно в реакторе из лития, запасы которого также очень велики.

Термоядерный синтез обещает еще больший выход энергии на единицу массы топлива по сравнению с реакциями деления и считается более безопасным с точки зрения радиоактивных отходов. Хотя управляемый термоядерный синтез — это технология будущего, его потенциал является главным аргументом в пользу неисчерпаемости атомной энергии в целом.

Таким образом, хотя конкретные виды топлива для существующих АЭС являются исчерпаемыми, общий ресурсный потенциал атомной энергетики, включая технологии будущего (бридеры, ториевый цикл, термоядерный синтез), настолько велик, что в масштабах человеческой цивилизации его можно считать неисчерпаемым.

Ответ:

Атомную энергию считают неисчерпаемой, потому что, во-первых, ядерное топливо обладает колоссальной энергоемкостью (из малой массы высвобождается огромное количество энергии), а во-вторых, потенциальные запасы этого топлива на Земле огромны. Помимо используемого сегодня урана-235, в энергетику можно вовлечь гораздо более распространенные уран-238 и торий (с помощью реакторов-размножителей), а также извлекать уран из морской воды. В долгосрочной перспективе главным источником может стать термоядерный синтез, топливо для которого (изотопы водорода) содержится в практически неограниченном количестве в воде мирового океана.

8. Можно ли назвать атомную энергию возобновляемой?

Вопрос о том, можно ли считать атомную энергию возобновляемой, является предметом дискуссий, и ответ на него зависит от используемого определения.

С точки зрения классического определения, возобновляемые источники энергии — это те, которые пополняются естественным путем в человеческих временных масштабах. К ним относятся солнечный свет, ветер, потоки воды (гидроэнергия), геотермальное тепло и биомасса.

Атомная энергия, в ее нынешнем виде, производится в основном за счет реакции деления ядер урана (чаще всего изотопа уран-235). Уран — это металл, который добывается из земной коры. Его запасы, как и запасы угля, нефти или природного газа, конечны и не возобновляются в обозримом будущем. По этому основному критерию — исчерпаемости основного ресурса — атомную энергию следует относить к невозобновляемым источникам.

Однако существуют аргументы, которые сближают атомную энергетику с возобновляемой и позволяют называть ее "устойчивой" или "чистой" энергией:

• Низкие выбросы парниковых газов. При работе атомной электростанции (АЭС) не происходит прямых выбросов углекислого газа ($CO_2$), что делает ее чистым источником энергии с точки зрения влияния на глобальное потепление.
• Высокая энергоэффективность. Количество энергии, получаемое из небольшого объема уранового топлива, огромно по сравнению с ископаемым топливом. Существующих разведанных запасов урана при текущих темпах потребления хватит на многие десятилетия или даже столетия.
• Перспективные технологии. Разрабатываются реакторы-размножители (бридеры), которые способны производить больше делящегося материала (например, плутония), чем потребляют, используя в качестве сырья более распространенный изотоп уран-238. Это может сделать топливный ресурс практически неисчерпаемым на тысячи лет. Также ведутся исследования в области термоядерного синтеза, где в качестве топлива используются изотопы водорода (дейтерий и тритий), запасы которых в мировом океане практически безграничны. Энергия термоядерного синтеза будет по праву считаться возобновляемой, но эта технология пока не доведена до промышленного использования.

Таким образом, хотя атомная энергетика на урановом топливе по строгой классификации является невозобновляемой, из-за отсутствия выбросов парниковых газов и огромного энергетического потенциала ее часто рассматривают как важный элемент "зеленого" или "устойчивого" энергетического перехода, наравне с возобновляемыми источниками.

Ответ: Нет, атомную энергию в ее современном виде нельзя назвать возобновляемой, так как она использует уран — исчерпаемый природный ресурс, который добывается из недр Земли. В отличие от возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, запасы урана конечны.

✓ Какие частицы считаются элементарными?

Какие частицы считаются элементарными?

Элементарными частицами в современной физике называют бесструктурные частицы, которые, согласно современным научным данным, не состоят из других, более мелких частиц. Они являются фундаментальными «кирпичиками», из которых построена вся материя, и частицами, которые переносят фундаментальные взаимодействия во Вселенной.

Наше текущее понимание элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью физики элементарных частиц. Согласно этой модели, все элементарные частицы делятся на две большие группы: фермионы и бозоны.

Фермионы (частицы вещества)

Фермионы — это частицы, из которых состоит вся привычная нам материя. Они обладают полуцелым спином (например, $1/2$) и подчиняются принципу запрета Паули (две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии). Фермионы, в свою очередь, делятся на две категории:

• Кварки: это частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии. Они никогда не встречаются в свободном состоянии, а объединяются в группы, образуя составные частицы (адроны), такие как протоны и нейтроны. Существует шесть типов (или «ароматов») кварков, объединенных в три поколения:
  • Первое поколение: верхний (up, u), нижний (down, d)
  • Второе поколение: очарованный (charm, c), странный (strange, s)
  • Третье поколение: истинный или топ (top, t), прелестный или боттом (bottom, b)
• Лептоны: это частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии. Существует также шесть типов лептонов, также объединенных в три поколения:
  • Заряженные лептоны: электрон (e^-), мюон (μ^-), тау-лептон (τ^-).
  • Нейтрино: электронное нейтрино (ν_e), мюонное нейтрино (ν_μ), тау-нейтрино (ν_τ). Нейтрино — электрически нейтральные частицы с очень малой массой.

Бозоны (частицы-переносчики взаимодействия и бозон Хиггса)

Бозоны — это частицы, которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий или отвечают за массу. Они обладают целым спином (0, 1, 2, ...) и не подчиняются принципу запрета Паули.

• Калибровочные бозоны (переносчики взаимодействий):
  • Фотон (γ): переносчик электромагнитного взаимодействия.
  • Глюоны (g): переносчики сильного ядерного взаимодействия, которое «склеивает» кварки внутри протонов и нейтронов.
  • W⁺, W^- и Z⁰-бозоны: переносчики слабого ядерного взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.
• Скалярный бозон:
  • Бозон Хиггса (H⁰): частица, связанная с полем Хиггса. Взаимодействие с этим полем придает массу другим элементарным частицам (кваркам, заряженным лептонам, W- и Z-бозонам).

Таким образом, все известные частицы, такие как протон и нейтрон, являются составными. Например, протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка ($uud$), а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков ($udd$). Элементарными же являются только перечисленные выше частицы Стандартной модели.

Ответ: Элементарными считаются частицы, которые в рамках Стандартной модели не имеют внутренней структуры: 6 кварков (up, down, charm, strange, top, bottom), 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих им нейтрино), а также калибровочные бозоны (фотон, глюон, W- и Z-бозоны) и бозон Хиггса.

✓ Какие элементарные частицы входят в состав атомов?

Какие элементарные частицы входят в состав атомов?

Атом — это наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Согласно современным представлениям, атом состоит из трех основных видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Структурно атом состоит из двух частей: массивного центрального ядра и электронной оболочки.

1. Атомное ядро. Оно находится в центре атома, имеет положительный заряд и содержит практически всю массу атома (более 99,9%). Ядро состоит из частиц, объединенных общим названием нуклоны:
• Протоны ($p^+$) — это положительно заряженные частицы. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Количество протонов в ядре (зарядовое число $Z$) уникально для каждого химического элемента и определяет его порядковый номер в Периодической системе Д.И. Менделеева.
• Нейтроны ($n^0$) — это частицы, не имеющие электрического заряда (нейтральные). Масса нейтрона очень близка к массе протона. Атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов в ядре; такие разновидности называются изотопами.

2. Электронная оболочка. Это область вокруг ядра, в которой движутся электроны.
• Электроны ($e^-$) — это отрицательно заряженные частицы. Их масса пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклонов (примерно в 1836 раз меньше массы протона). В электрически нейтральном атоме число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре, поэтому суммарный заряд атома равен нулю.

Важно отметить, что в физике элементарных частиц протоны и нейтроны не считаются истинно элементарными, так как они состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Однако в химии и атомной физике при описании строения атома их рассматривают как его основные составляющие. Электрон же, согласно Стандартной модели, является фундаментальной, то есть неделимой частицей.

Ответ: В состав атомов входят протоны ($p^+$), нейтроны ($n^0$) и электроны ($e^-$). Протоны и нейтроны формируют атомное ядро, а электроны составляют электронную оболочку вокруг ядра.