جواب پرسش ها و مسئله های فصل ۶ فیزیک پایه دوازدهم ریاضی صفحه ۱۵۵ و ۱۵۶

جواب پرسش ها و مسئله های فصل ۶ ششم صفحه های ۱۵۵ و ۱۵۶ فیزیک پایه دوازدهم رشته ریاضی و فیزیک از فصل شش آشنایی با فیزیک هسته‌ای ؛ برای مشاهده گام به گام این بخش در ادامه با آموزش و پرورش ماگرتا همراه باشید.

همچنین بخوانید: گام به گام فیزیک دوازدهم رشته ریاضی و فیزیک

جواب صفحه ۱۵۵ فیزیک پایه دوازدهم ریاضی فصل ۶

۱-۶ ساختار هسته

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 ترتیب در نظر بگیرید)

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۲- برای ^۲۰۸_۸۲Pd مطلوب است:

الف) تعداد نوکلئون‌ها

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

ب) تعداد نوترون‌ها

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

پ) بار الکتریکی خالص هسته

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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.

الف) ^۱۹۵_۷۸X

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

ب) ^۳۲_۱۶X

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

پ) ^۶۱_۲۹X

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۴- آیا می‌توان ایزوتوپ ^۶۱_۲۵X را با روش شیمیایی از ایزوتوپ ^۵۹_۲۵X جدا کرد؟ از ایزوتوپ ^۶۱_۲۶X چطور؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ: 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_۲۵X به روش شیمیایی از ایزوتوپ ^۶۱_۲۶X قابل جداسازی است، چون عدد اتمی یکسانی نداشته و خواص شیمیایی کاملاً متفاوتی دارند.

پاسخ دیگر: خیر – ایزوتوپ X با عدد اتمی ۲۵ و عدد جرمی ۶۱ و X با عدد اتمی ۲۵ و عدد جرمی ۵۹ دارای عدد اتمی یکسان اند پس خواص شیمیایی یکسانی دارد و با روش شیمیایی نمی توان این دو ایزوتوپ را جدا کرد. این دو ایزوتوپ دارای خواص فیزیکی متفاوت مانند عدد جرمی و عدد نوترونی متفاوت می باشند.

ولی ایزوتوپ X با عدد اتمی ۲۵ و عدد جرمی ۶۱ و X با عدد اتمی ۲۶ و عدد جرمی ۶۱ را می توان به روش شیمیایی جدا کرد. زیرا عدد اتمی و خواص شیمیایی 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.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۶- هسته دختر به دست آمده از هر یک از واپاشی‌های زیر را به صورت ^A_ZX مشخص کنید.

الف) ^۲۴۲_۹۴Pu واپاشی α انجام دهد.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

ب) سدیم ^۲۴_۱۱Na واپاشی ⁻β انجام دهد.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

پ) نیتروژن ^۱۳_۷N واپاشی ⁻β انجام دهد.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

ت) ^۱۵_۸O واپاشی ⁺β انجام دهد.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۷- سرب ^۲۰۷_۸۲Pb 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 ^A_ZX مشخص کنید.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۸- نپتونیم ^۲۳۷_۹۳Np 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؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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.

پاسخ: نیمه‌عمر مدت زمانی است که طول می‌کشد تا تعداد هسته‌های مادر موجود در یک نمونه به نصف برسد و با توجه به شکل داریم:

نیمه‌عمر هستهٔ (۱) بیشتر از نیمه‌عمر هستهٔ (۳) و نیمه‌عمر هستهٔ (۳) بیشتر از نیمه‌عمر هستهٔ (۲) است.

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 ) مقدار عادی کربن ۱۴ موجود در زغالی است که تازه تولید شده است. سن تقریبی این زغال قدیمی چقدر است؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

جواب صفحه ۱۵۶ فیزیک پایه دوازدهم ریاضی فصل ششم

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؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

پس از ۴ نیمه‌عمر از مادهٔ اولیه باقی مانده است.

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.

پاسخ: 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 ^۲۳۶_۹۲U 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؟

پاسخ: 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.

پاسخ: آب معمولی (H_۲O) آب سنگین (D_۲O) 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؟

پاسخ: 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.

پاسخ: در فرایند شکافت ^۲۳۵_۹۵U یک نوترون،، شکافت اورانیم را آغاز می‌کند و بر اثر شکافت سه نوترون به وجود می‌‌آید. و این سه نوترون باعث شکافت در سه هستهٔ 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؟

پاسخ: 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.

پاسخ: 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؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

۱۴- یکی از واکنش‌های ممکن در شکافت ^۲۳۵_۹۲U، داده شده است. در این واکنش عدد اتمی Z، عدد جرمی A و عنصر X را در ^A_ZX تعیین کنید.

در صورت لزوم از جدول تناوبی کمک بگیرید.

پاسخ: باید مجموع پروتون‌ها در دو طرف این واکنش و همچنین مجموع عددهای جرمی در دو طرف این واکنش یکسان باشد:

۱۵- در واکنش زیر چه تعداد نوترون تولید می‌شود؟

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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.)

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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.

پاسخ: 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.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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 ^۲۳۵U 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.

پاسخ: در تصویر زیر می توانید مشاهده کنید:

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.

پاسخ دیگر: انرژی هر نوکلئون در واکنش گداخت حدود ۴ برابر انرژی هر نوکلئون در واکنش شکافت است، پس باتوجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی، ضروری است که نیروگاه‌های گداخت جایگزین نیروگاه‌های شکافت هسته‌ای شوند و از جمله مزیت‌های این عمل عبارت‌اند از:

۱- سوخت این‌گونه نیروگاه‌ها به سادگی قابل تهیه است.
۲- ماده رادیواکتیو کمتری تولید می‌کنند و زباله اصلی باقی‌مانده پس از گداخت، هستهٔ هلیوم است که رادیواکتیو نیست.
۳- انرژی تولید به ازای هر نوکلئون ۴ برابر است.
۴- هزینه تهیه سوخت بسیار کمتر است.

⭕️ تذکر: دانش‌آموز عزیز، لطفاً توجه کنید که مطالب درسی در این وب‌سایت صرفاً به منظور کمک و آموزش قرار داده شده‌اند و نباید از آن ها به‌طور نادرست استفاده کنید. لذا، پیش از مشاهده پاسخ‌ها، لطفاً یکبار دیگر خودتان به سوالات پاسخ دهید و در صورت بروز مشکلات، از این پاسخ‌ها کمک بگیرید.

پاسخ صفحه قبلی: جواب تمرین صفحه ۱۴۷ فیزیک دوازدهم ریاضی

✅ به پایان جواب پرسش‌ها و مسئله‌های فصل 6 ششم صفحه 155 و 156 فیزیک 3 پایه دوازدهم ریاضی رسیدیم، جهت مشاهده گام به گام سایر کتاب های درسی‌تان کافیست آن را به همراه عبارت «ماگرتا» در گوگل جست و جو فرمایید. همچنین اگر سوالی داشتید حتما آن را از بخش دیدگاه بپرسید.