Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia:

Przeczytaj zamieszczony poniżej fragment tekstu popularnonaukowego z czasopisma „Delta”, a następnie rozwiąż ćwiczenia 1 - 3, które bezpośrednio do niego nawiązują.

Około 2 miliardów lat temu w złożach uranu w okolicach Oklo w Gabonie dochodziło do reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder uranu. Skąd o tym wiemy? Na pierwszy ślad tego zjawiska natrafiono w 1972 roku podczas rutynowych testów próbek z kopalni uranu w Oklo. Okazało się, że zawartość izotopu Indeks górny 235U w złożu (w stosunku do innych izotopów uranu) była mniejsza niż w innych tego typu złożach. Ze względu na to przeprowadzono różnego rodzaju badania złoża w Oklo – sprawdzano nie tylko zawartości izotopów uranu, lecz także izotopów będących produktem jego rozszczepienia: neodymu i rutenu. Okazało się, że w przypadku wszystkich badanych izotopów zawartość odbiegała od oczekiwanej: np. zawartość izotopu Indeks górny 99Ru, będącego typowym produktem rozszczepienia uranu za pomocą neutronów termicznych (neutronów o stosunkowo małych energiach kinetycznych), była ponad dwukrotnie większa niż w innych złożach. Wywnioskowano stąd, że w obrębie złoża w Oklo doszło do powstania naturalnego reaktora jądrowego. Obecnie w żadnym złożu na Ziemi nie zachodzi podobne zjawisko, ponieważ nigdzie nie ma już dostatecznie dużej zawartości izotopu uranu Indeks górny 235U. W przypadku reaktora w Oklo wynosiła ona (2 miliardy lat temu) około 3% całej masy uranu w złożu, czyli mniej więcej tyle, ile stosuje się we współczesnych reaktorach. Są jeszcze inne warunki, które muszą być spełnione, aby naturalny reaktor jądrowy mógł zadziałać.

Rozmiar złoża uranu (o odpowiedniej zawartości izotopu Indeks górny 235U) powinien przekraczać średni zasięg neutronów rozszczepiających, co odpowiada wielkości złoża równej około 70 cm.
Musi być obecny moderator, czyli substancja, która spowalnia neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia na tyle, by te mogły rozszczepić kolejne jądra uranu.
W złożu powinna być niska koncentracja innych niż uran pierwiastków absorbujących neutrony.

Mechanizm działania reaktora w Oklo polegał na tym, że w złożu uranu występowała woda gruntowa, która działała jako moderator reakcji rozszczepienia: pozwalała rozpocząć się reakcji łańcuchowej. W momencie, kiedy ciepło generowane w rozszczepieniach powodowało, że woda wyparowywała, moderator znikał i łańcuchowa reakcja rozszczepienia zwalniała lub ustawała. Następnie, gdy złoże się schłodziło i woda gruntowa z powrotem wsączała się w jego obręb, reakcja ponownie się rozpoczynała. Na podstawie badań pozostałości produktów rozszczepienia obecnych w minerałach złoża oszacowano, że cykl ten składał się z trzydziestominutowej reakcji łańcuchowej, a następnie dwuipółgodzinnego schładzania złoża i powrotu wody gruntowej.

Na podstawie: Grzegorz Lizurek, „Pierwszy reaktor jądrowy”, „Delta”, maj 2015.

Uwaga!

Zamieszczony tekst źródłowy i odnoszące się do niego pytania zostały zaczerpnięte z egzaminu maturalnego z fizyki i astronomii na poziomie rozszerzonym z roku 2019.

Ćwiczenie 1

R1SswYXoGqE1o

Zaznacz, które z poniższych zdań są prawdziwe:

Suma mas wszystkich produktów rozszczepienia jądra ²³⁵U jest większa od sumy mas jądra ²³⁵U i neutronu inicjującego reakcję rozszczepienia.
Intensywne rozgrzewanie się opisanego złoża uranu jest spowodowane rozszczepieniem jąder atomowych.
W reaktorze jądrowym moderator służy do spowalniania neutronów powodujących dalsze rozszczepienia.
Gdy w opisanym złożu uranu woda wyparowywała, to liczba jąder uranu, które ulegały rozszczepieniu w jednostce czasu, znacząco malała.

Ćwiczenie 2

R1C0YDCU1vCmO

Uzupełnij trzy poniższe równania reakcji rozszczepiania ciężkich jąder atomowych:

$_{94}^{239}$ Pu, $_{56}^{144}$ Ba, $_{54}^{140}$ Xe

a) $_{0}^{1}$ n + $_{92}^{235}$ U → ...................... + $_{36}^{89}$ Kr + 3 $_{0}^{1}$ n,

b) $_{0}^{1}$ n + $_{92}^{235}$ U → ...................... + $_{38}^{94}$ Sr + 2 $_{0}^{1}$ n,

c) $_{0}^{1}$ n + ...................... → $_{56}^{144}$ Ba + $_{38}^{94}$ Sr + 2 $_{0}^{1}$ n.

Ćwiczenie 3

RCLp9qMZrqA1x

Które z podanych faktów wskazują na to, że w okolicach Oklo w Gabonie działał naturalny reaktor jądrowy:

Warstwa rudy uranowej w tym złożu ma odpowiednią grubość, przekraczającą 70 cm., Aktualna zawartość izotopu uranu <sup>235</sup>U w złożu jest mniejsza niż 3%., Zawartość izotopu uranu <sup>235</sup>U w złożu jest mniejsza niż w innych złożach tego samego typu., Odbiegająca od oczekiwanej zawartość w złożu typowych produktów rozszczepienia uranu za pomocą neutronów termicznych.

Fakty potwierdzające istnienie w przeszłości, w Oklo w Gabonie naturalnego reaktora jądrowego:
Inne fakty dotyczące naturalnego złoża uranu w Oklo w Gabonie:

Ćwiczenie 4

Kiedy Newtonowi spadło na głowę jabłko, pomyślał, że ta sama siła, która powoduje spadanie jabłka na Ziemię, może rozciągać się aż do Księżyca i być odpowiedzialna za jego ruch wokół Ziemi. Bardzo szybko Newton rozszerzył swe prawo grawitacji także na oddziaływania wszelkich ciał materialnych.

Potraktuj zdarzenie Newtona z jabłkiem oraz zestawienie tego z ruchem Księżyca jako rodzaj eksperymentu i przedyskutuj relacje z tego wynikające.
Wyciągnij wnioski.

Ćwiczenie 5

Ernest Rutherford – brytyjski fizyk, odkrywca jądra atomowego, wykonał eksperyment, w którym sprawdzał popularny w końcu XIX wieku model atomu Thomsona, zwany „modelem ciasta z rodzynkami”. W modelu tym masa ciasta jest ładunkiem dodatnim atomu, a rodzynki są ładunkiem ujemnym, czyli elektronami. W eksperymencie zderzał cząstki alfa z cienką folią wykonaną ze złota. Zauważył, że cząstki alfa rozpraszają się na folii zwykle do przodu, ale niekiedy, choć rzadko, zdarzają się też rozproszenia do tyłu.

Siła oddziaływania dwóch ciał materialnych jest proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Przeprowadź dyskusję obserwacji Rutherforda.
Wyciągnij wnioski dotyczące struktury atomu.

Wskazówka: Masa cząstki alfa jest wielokrotnie większa od masy elektronu.

Ćwiczenie 6

Podobnie jak kiedyś Galileusz, zrzucasz z wysoka przedmioty z różnych materiałów o różnej masie i kształcie, za każdym razem mierząc czas spadania. Uzyskujesz wiele wyników i teraz pora na przedyskutowanie, co z nich wynika oraz na wyciągnięcie wniosków.

Przedyskutuj wyniki swych pomiarów.
Wyciągnij wnioski.

Ćwiczenie 7

Wiemy, że jednym z postulatów Einsteina w jego szczególnej teorii względności było to, że prędkość światła ma stałą wartość niezależnie od ruchu źródeł i odbiorników światła. Dla sprawdzenia tego wykonujesz eksperyment myślowy, tj. wykonywany tylko w Twej głowie.

R12EAgQveCtIn

Rysunek przedstawia czarną platformę poruszającą się na kółkach po płaskiej powierzchni w prawą stronę rysunku z prędkością opisaną małą czarną literą v z indeksem dolnym zero, której wektor pokazano za pomocą czarnej poziomej strzałki. Po lewej stronie od platformy znajduje się nieruchoma, zielona, prostokątna stacja oznaczona dużą czarną literą S. Na środku platformy znajduje się czerwone źródło światła oznaczone dużą czarną literą Ź. Po obu stronach źródła na końcach platformy znajdują się dwa niebieskie odbiorniki opisane dużymi czarnymi literami O z indeksami dolnymi odpowiednio jeden i dwa. Ruch światła ze źródła w kierunku odbiorników przedstawiono w postaci czarnych, poziomych przerywanych strzałek.

Na środku platformy ustawiasz źródło światła Ź, a na obu jej końcach odbiorniki OIndeks dolny 1 i OIndeks dolny 2. Platforma porusza się względem nieruchomej stacji S z prędkością $v_{0}$ . Źródło emituje sygnały świetlne, a odbiorniki rejestrują czas, po jakim do nich docierają.

Kiedy stoisz na platformie, stwierdzasz, że sygnały do obu odbiorników docierają jednocześnie, kiedy stoisz na stacji, zauważasz, że sygnał dotarł wcześniej do odbiornika OIndeks dolny 1, a później do OIndeks dolny 2.

Przedyskutuj wyniki tego eksperymentu.
Wyciągnij wnioski.

Ćwiczenie 8

Zauważyłeś już wiele razy, że mijająca Cię „na sygnale” karetka pogotowia obniża swój ton w momencie mijania i wiesz, że jest to „efekt Dopplera”. Wyobraź więc sobie takie zdarzenie.

Policjant zatrzymuje kierowcę i mówi „Płaci pan mandat za przejechanie skrzyżowania na czerwonym świetle.” Kierowca odpowiada „Ale ja widziałem światło zielone”. „To niemożliwe” odpowiada policjant. Kierowca na to. „Możliwe, bo kiedy pan widział światło czerwone, to w rezultacie efektu Dopplera ja widziałem światło zielone, ponieważ zbliżałem się do skrzyżowania.” Okazało się jednak, że policjant też znał fizykę, więc mówi. „Rozumiem, ma pan rację, jest to możliwe. W takim razie nie płaci pan mandatu za przejechanie skrzyżowania na czerwonym świetle, tylko dużo większą kwotę za rażące przekroczenie dopuszczalnej prędkości, bo poruszał się pan z prędkością porównywalną z prędkością światła.”

Potraktuj to zdarzenie jak eksperyment, w którym badany jest efekt Dopplera dla fal elektromagnetycznych.

Przedyskutuj opis tego zdarzenia.
Wyciągnij wnioski.

Ćwiczenie 9

Wykonujesz serię doświadczeń:

Próbujesz wcisnąć palcem gwóźdź w deskę – nie wchodzi.
Kładziesz deskę na posadzce i uderzasz gwóźdź młotkiem – wbija się bez problemu.
Robisz to samo, ale deskę kładziesz na miękkim dywanie – wbija się, ale słabiej.

Zadania masz następujące:

Przedyskutuj wyniki Twych doświadczeń.
Wyciągnij wnioski.

Ćwiczenie 10

Dlaczego groźne są wypadki samochodowe? Bo w chwili, kiedy samochód uderza w przeszkodę i się zatrzymuje, pasażer porusza się dalej zgodnie z pierwszym prawem dynamiki Newtona i z prędkości taką, jaką miał przed wypadkiem, uderza w przeszkodę. Z tego samego powodu „zarzuca” Cię, gdy autobus nagle rusza, hamuje lub skręca.

Twoje zadania:

Przedyskutuj wyniki tych doświadczeń,
Nazwij przyczynę ich występowania.

Ćwiczenie 11

Popatrz na fotografię. Wiele śladów ma zbliżone krzywizny. Czy ślady, które mają taki sam promień krzywizny pozostawiły cząstki o takim samym pędzie, czy tej samej prędkości?

R8dKowzDPmYvK3

Rysunek przedstawia na czarnym tle wizualizację ruchu cząstek w komorze projekcji czasowej poruszających się od środka promieniście na zewnątrz po lekko łukowatych torach. Tory te zostały przedstawione w postaci dużej liczby kolorowych linii. — [Źródło: www.star.bnl.gov]

Przedyskutuj możliwe warianty odpowiedzi.
Wyciągnij wnioski.

Film (standardowy)

Dla nauczyciela