Страница 127 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

► 857. Физик-экспериментатор Р. Вуд, будучи студентом, поставил перед собой задачу — разоблачить хозяйку пансиона, которая подозревалась в том, что утреннее жаркое приготовляла из остатков вчерашнего обеда. Для этого он воспользовался хлористым литием (веществом безопасным и похожим на поваренную соль) и спектроскопом. Как Р. Вуд использовал знания по физике для разгадки «тайны»?

Решение

В основе этого эксперимента лежит фундаментальный принцип спектрального анализа: атомы каждого химического элемента при нагревании до высокой температуры излучают свет строго определённых длин волн. Этот набор длин волн (видимый в спектроскопе как набор ярких цветных линий) уникален для каждого элемента и является его "визитной карточкой".

Роберт Вуд применил этот принцип для создания "метки", чтобы отследить путь еды.

1. Во время обеда он незаметно посыпал остатки жаркого на своей тарелке хлоридом лития ($LiCl$). Этот выбор был очень удачным, поскольку хлорид лития — это безопасная соль, внешне неотличимая от обычной поваренной соли ($NaCl$), поэтому её добавление не вызвало подозрений. Главное же свойство лития — его очень яркий и характерный спектр излучения с доминирующей линией в красной области.

2. На следующее утро, когда на завтрак подали жаркое, Вуд предположил, что оно приготовлено из вчерашних остатков, "помеченных" литием.

3. Чтобы проверить свою гипотезу, он взял маленький кусочек утреннего жаркого и внёс его в пламя (например, газовой горелки).

4. Наблюдая за пламенем через спектроскоп, он смог проанализировать его спектр. Если бы в спектре появились яркие линии, соответствующие спектру лития, это стало бы неопровержимым доказательством того, что хозяйка действительно использовала вчерашние остатки для приготовления нового блюда.

Таким образом, знание уникальности спектров излучения химических элементов позволило Р. Вуду остроумно решить бытовую загадку.

Ответ:

Р. Вуд посыпал остатки вчерашнего обеда хлористым литием, который внешне похож на поваренную соль. На следующий день он взял образец утреннего жаркого, внёс его в пламя и проанализировал свет с помощью спектроскопа. Обнаружение в спектре характерных для лития ярких линий стало доказательством того, что жаркое было приготовлено из вчерашних остатков, так как каждый химический элемент имеет уникальный спектр излучения.

► 858. Подготовьте доклад об экологических и экономических проблемах развития ядерной энергетики. В чём преимущества и какие недостатки имеет АЭС по сравнению с теплоэлектростанциями?

Экологические и экономические проблемы развития ядерной энергетики

Развитие ядерной энергетики сталкивается с рядом фундаментальных проблем, которые можно разделить на экологические и экономические.

Экологические проблемы:

— Проблема радиоактивных отходов (РАО). Самая острая проблема. Отработавшее ядерное топливо и другие материалы остаются высокорадиоактивными и опасными на протяжении тысяч и даже сотен тысяч лет. До сих пор не создано ни одного действующего геологического хранилища для окончательной изоляции РАО, что создает долгосрочную угрозу для биосферы.

— Риск тяжелых аварий. Аварии на АЭС, подобные Чернобыльской и Фукусимской, могут привести к катастрофическим последствиям: выбросу огромного количества радиоактивных веществ, заражению обширных территорий, необходимости массовой эвакуации и долгосрочным последствиям для здоровья населения и состояния окружающей среды.

— Тепловое загрязнение. АЭС, как и ТЭС, сбрасывают в водоемы-охладители большое количество нагретой воды, что нарушает экологический баланс водных систем, приводя к гибели некоторых видов организмов и размножению других (например, сине-зеленых водорослей).

— Воздействие в процессе топливного цикла. Добыча урановой руды, ее обогащение и производство топлива также оказывают негативное влияние на окружающую среду, включая образование радиоактивных отвалов и загрязнение грунтовых вод.

Экономические проблемы:

— Высокая стоимость строительства. АЭС являются одними из самых дорогих промышленных объектов. Сложность технологий и высочайшие требования к безопасности приводят к огромным капитальным вложениям и очень длительным срокам строительства (10-15 лет).

— Затраты на вывод из эксплуатации. После окончания срока службы (40-60 лет) АЭС необходимо безопасно демонтировать. Этот процесс является технически сложным, длительным (может занимать десятилетия) и очень дорогим, его стоимость сопоставима со стоимостью строительства новой станции.

— Стоимость обращения с РАО. Создание инфраструктуры для временного хранения, переработки и долгосрочного захоронения радиоактивных отходов требует колоссальных и постоянных финансовых вложений.

Ответ: Ключевыми проблемами развития ядерной энергетики являются: экологические — нерешенная проблема захоронения радиоактивных отходов и риск катастрофических аварий; экономические — чрезвычайно высокая стоимость строительства и вывода из эксплуатации, а также затраты на управление отходами.

В чём преимущества и какие недостатки имеет АЭС по сравнению с теплоэлектростанциями?

Преимущества АЭС:

— Отсутствие выбросов парниковых газов. В процессе работы АЭС не сжигают органическое топливо и, следовательно, не производят выбросов $CO_2$, который является главным фактором глобального потепления. ТЭС, работающие на угле, газе или мазуте, являются одним из основных источников этих выбросов.

— Отсутствие вредных выбросов в атмосферу. АЭС не выбрасывают в атмосферу оксиды серы ($SO_2$) и азота ($NO_x$), которые вызывают кислотные дожди, а также золу и сажу, загрязняющие воздух.

— Высокая концентрация энергии в топливе. Ядерное топливо обладает огромной энергоемкостью. Например, 1 кг урана, используемого в реакторе, может выделить энергию, эквивалентную сжиганию примерно 2500 тонн угля. Это резко снижает затраты на транспортировку и хранение топлива.

— Стабильность и надежность. АЭС могут работать непрерывно в течение длительного времени (1-2 года до перезагрузки топлива), обеспечивая постоянную базовую мощность в энергосистеме, в отличие от возобновляемых источников (солнце, ветер), зависящих от погоды.

Недостатки АЭС:

— Проблема радиоактивных отходов. Это главный недостаток. Если отходы ТЭС (зола, шлак) в основном инертны, то отходы АЭС являются смертельно опасными и требуют надежной изоляции на тысячелетия. Решения этой проблемы до сих пор нет.

— Риск катастрофических последствий аварий. Авария на ТЭС имеет локальные последствия. Тяжелая авария на АЭС может привести к глобальной экологической катастрофе с долгосрочным радиоактивным загрязнением огромных территорий.

— Высочайшая стоимость и длительность строительства. Капитальные затраты на строительство АЭС в разы превышают затраты на строительство ТЭС аналогичной мощности. Сроки строительства также значительно дольше.

— Сложность и дороговизна вывода из эксплуатации. Демонтаж ТЭС — стандартная инженерная задача. Вывод из эксплуатации АЭС — уникальная, сложная и чрезвычайно дорогая операция.

Ответ: Преимущества АЭС перед ТЭС заключаются в экологической чистоте (отсутствие выбросов $CO_2$ и загрязняющих веществ) и высокой энергоэффективности топлива. Недостатки — в проблеме обращения с радиоактивными отходами, риске катастрофических аварий и огромных затратах на строительство и вывод из эксплуатации.

► 859. Реакторы на быстрых нейтронах экономически более выгодны, чем на медленных «тепловых» нейтронах. Почему?

Решение

Экономическая выгодность реакторов на быстрых нейтронах по сравнению с реакторами на медленных («тепловых») нейтронах объясняется несколькими фундаментальными преимуществами в области топливного цикла и обращения с радиоактивными отходами.

1. Эффективное использование ядерного топлива. В природе уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($_{92}^{238}U$) — более 99.2%, и урана-235 ($_{92}^{235}U$) — около 0.7%. Традиционные реакторы на тепловых нейтронах могут использовать в качестве топлива только делящийся изотоп уран-235. Это требует дорогостоящего процесса обогащения урана, а огромные запасы урана-238 остаются практически неиспользованными. Реакторы на быстрых нейтронах способны вовлекать в ядерную реакцию уран-238, превращая его в новый делящийся материал — плутоний-239 ($_{94}^{239}Pu$). Это позволяет использовать практически весь добываемый уран, увеличивая топливную базу мировой энергетики в десятки раз.

2. Воспроизводство ядерного топлива (бридинг). Ключевой особенностью быстрых реакторов является возможность работать в режиме «бридера» (размножителя), то есть производить больше нового делящегося материала, чем потребляется в ходе реакции. Это достигается за счет захвата быстрых нейтронов ядрами урана-238. Процесс превращения выглядит следующим образом:

$_{92}^{238}U + n \rightarrow _{92}^{239}U \xrightarrow{\beta^-} _{93}^{239}Np \xrightarrow{\beta^-} _{94}^{239}Pu$

Полученный плутоний-239 сам является высокоэффективным ядерным топливом. Таким образом, быстрые реакторы позволяют создать замкнутый ядерный топливный цикл, в котором отработавшее топливо одних реакторов становится сырьем для производства нового топлива.

3. Трансмутация («выжигание») радиоактивных отходов. Отработавшее ядерное топливо тепловых реакторов содержит долгоживущие высокоактивные отходы, в частности так называемые минорные актиниды (америций, кюрий, нептуний), которые остаются опасными на протяжении десятков и сотен тысяч лет. Их безопасное захоронение — сложная и чрезвычайно дорогостоящая задача. Поток быстрых нейтронов в активной зоне быстрого реактора способен эффективно делить ядра этих долгоживущих изотопов, превращая их в короткоживущие или стабильные элементы. Этот процесс называется трансмутацией. Он позволяет кардинально снизить радиотоксичность и объем отходов, подлежащих длительному геологическому захоронению, что решает одну из главных проблем атомной энергетики и приносит огромный экономический эффект.

Ответ:

Экономическая выгода реакторов на быстрых нейтронах обусловлена тем, что они позволяют создать замкнутый ядерный топливный цикл. Это достигается за счет трех основных преимуществ: 1) использования в качестве сырья для топлива не только редкого урана-235, но и основного изотопа природного урана — урана-238; 2) воспроизводства нового ядерного топлива (плутония-239) в количестве, превышающем потребление, что устраняет необходимость в дорогостоящем обогащении урана; 3) «выжигания» (трансмутации) наиболее опасных долгоживущих радиоактивных отходов, что значительно удешевляет и упрощает обращение с ними.

► 860. Установите соответствие между физическими явлениями и приборами, в которых используются или наблюдаются эти явления.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

А) регистрация электронов

Б) линейчатый спектр

ПРИБОР

1) спектроскоп

2) трансформатор

3) счётчик Гейгера

4) конденсатор

A

Б

Решение

А) регистрация электронов

Регистрация отдельных заряженных частиц, в том числе электронов (например, в составе бета-излучения), является основным принципом работы счётчика Гейгера. Когда электрон пролетает через газонаполненную камеру прибора, он ионизирует атомы газа. В результате под действием сильного электрического поля возникает лавинный электрический разряд, который регистрируется как отдельный импульс. Таким образом, физическому явлению «регистрация электронов» соответствует прибор «счётчик Гейгера».

Ответ: 3

Б) линейчатый спектр

Линейчатый спектр — это спектр, состоящий из отдельных узких спектральных линий. Такие спектры возникают при испускании или поглощении света атомами и являются их уникальной характеристикой. Прибор, предназначенный для разложения света в спектр и его визуального наблюдения, называется спектроскопом. Именно с помощью спектроскопа наблюдают и анализируют линейчатые спектры различных веществ.

Ответ: 1

► 861. Как изменяется заряд и массовое число радиоактивного ядра в результате его β-распада?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится 2) не изменится 3) уменьшится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Заряд

Массовое число

Решение

Бета-распад (β-распад) — это вид радиоактивного распада, сопровождающийся испусканием ядром бета-частицы. В школьном курсе физики под β-распадом, как правило, подразумевается электронный бета-распад (β⁻-распад).

При β⁻-распаде один из нейтронов в атомном ядре самопроизвольно превращается в протон. Этот процесс сопровождается испусканием электрона ($e^−$) и электронного антинейтрино ($\bar{\nu}_e$).

Общая схема β⁻-распада для химического элемента $X$ с массовым числом $A$ и зарядовым числом $Z$ выглядит следующим образом:

${}_Z^A X \rightarrow {}_{Z+1}^A Y + {}_{-1}^0 e + \bar{\nu}_e$

Проанализируем, как изменяются указанные величины в результате этого процесса.

Заряд

Заряд ядра определяется количеством протонов, то есть зарядовым числом $Z$. Из уравнения реакции видно, что зарядовое число нового ядра $Y$ становится равным $Z+1$. Поскольку число протонов увеличилось на единицу, заряд ядра увеличивается. Этому соответствует вариант ответа 1.

Ответ: 1

Массовое число

Массовое число $A$ — это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. В ходе β⁻-распада один нейтрон превращается в протон. Таким образом, количество нейтронов уменьшается на 1, а количество протонов увеличивается на 1. Общее число нуклонов в ядре при этом не изменяется, то есть массовое число $A$ остается прежним. Этому соответствует вариант ответа 2.

Ответ: 2