Energetyka w Środowisku Naturalnym

Transkrypt

1 Energetyka w Środowisku Naturalnym Energia w Środowisku -technika ograniczenia i koszty Wykład 12 17/24 stycznia 2017 Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Wykład 12 Energia atomowa i jądrowa Podstawy budowy materii 2/21

3 Trochę historii Demokryt (ok. 400 p.n.e.) - materia i dusza składa się z atomów Antoine Lavoisier (XVIII w.)- w doświadczeniach nad spalaniem substancji zauważył, że ilość materii w reakcjach chemicznych nie ulega zmianie Brian i Wiliam Higginsowie (XVIII w.) sugerują, że reakcje chemiczne zachodzą pomiędzy elementarnymi cząstkami (dziś powiedzielibyśmy atomami) reagujących substancji. John Dalton (XVIII/XIX w.) w pracach nad składem takich gazów jak metan, etylen, tlenek węgla i ditlenek węgla sformułował prawo stosunków wielokrotnych - Jeżeli substancja A reaguje z substancją B na dwa lub więcej sposobów, tworząc substancje C i D, wtedy przy stałej masie substancji A, masy substancji B w różnych produktach reakcji chemicznych pozostają do siebie w stosunkach będących ilorazami niewielkich liczb całkowitych. 3/21

4 Prawo stosunków wielokrotnych Przykład - 10 g azotu wiąże się z 5,7; 11,4; 17,1; 22,8 lub 28,5 g tlenu, a masy tlenu mają się do siebie jak: 1:2:3:4:5 Wniosek - w reakcjach chemicznych biorą udział hipotetyczne porcje substancji chemicznych i tylko całkowita liczba owych porcji może wziąć udział w reakcji. Te porcje substancji, których nie daje się podzielić mogłyby przypominać atomy Demokryta. Z jakimi ilościami tlenu wiąże się 10 g węgla? CO 10g x 16/12 = 13,3g CO 2-10g x 32/12 = 26,6g 4/21

5 Prawo Gay-Lussaca Prawo dotyczące objętości gazów wchodzących w reakcje chemiczne jeżeli gaz A reaguje z gazem B tworząc gaz C, to przy stałej temperaturze i ciśnieniu stosunki objętości gazów A, B i C wyrażają się prostymi liczbami całkowitymi Przykład: tworzenie pary wodnej po połączeniu wodoru z tlenem - dwie objętości wodoru i jedna objętość tlenu tworzą dwie objętości pary wodnej? Czy atom tlenu wchodzący w reakcje z atomami wodoru ulega podziałowi, takiemu aby jedna objętość tlenu mogła się podzielić na dwie objętości pary wodnej? Chcąc zachować pojęcie niepodzielnego atomu należało wprowadzić pojęcie cząsteczek (molekuł elementarnych), jako najmniejszych obiektów mogących istnieć w stanie swobodnym. 5/21

6 Prawo Avogadro Przy stałych temperaturze i ciśnieniu, równe objętości wszystkich gazów zawierają jednakową liczbę molekuł (cząsteczek). Przykład z wodorem i tlenem 2H 2 O2 2H 2O Masy atomowe Najlżejszą molekułą jest molekuła wodoru, a ta jest podzielna i składa się z dwu atomów, więc najlżejszym atomem jest też atom wodoru. Dziś jako jednostka masy atomowej obowiązuje wzorzec węglowy, a jednostką masy jest 1/12 masy izotopu 12C 6/21

7 Liczba Avogadro Ilość gramów substancji odpowiadającą masie cząsteczkowej nazywamy gramocząsteczką (molem) substancji, a objętość, jaką tworzy mol gazu w warunkach normalnych (0 o C i 760 mm Hg) nazywamy objętością molową, która wynosi 22,415 l. Przykładowo objętość molową tworzy 2 g wodoru, 4g helu, czy 32 g tlenu. Masy cząsteczkowe substancji trudno tworzących gazy uzyskuje się w oparciu o reakcje chemiczne z substancjami gazowymi. Masa cząsteczkowa wyrażona w gramach jest masą całkowitą pewnej szczególnej ilości cząsteczek, która ma ogromne znaczenie dla fizyki, gdyż po podzieleniu masy molowej przez ilość cząsteczek uzyskujemy masę cząsteczki i dalej masy atomów. Ta ilość cząsteczek to liczba Avogadro. N0 6, /21 23

8 Przykłady obliczeń W dwóch gramach wodoru znajduje się liczba cząsteczek równa liczbie Avogadro, możemy łatwo obliczyć przybliżoną wartość bezwzględną masy cząsteczki wodoru: g m H ,34 g Masa atomu wodoru jest dwukrotnie mniejsza i wynosi: m 24 H 1,67 10 g 8/21

9 Prawo Faradaya Masy substancji wydzielone w trakcie elektrolizy są proporcjonalne do ładunku elektrycznego jaki przepłynął między elektrodami W procesie elektrolizy różnych substancji przepływ takiego samego ładunku powoduje wydzielenie mas proporcjonalnych do odpowiednich równoważników masowych. Prawo to wskazuje na ziarnistą strukturę elektryczności i oznacza, że każdy jednowartościowy jon przenosi pewną elementarną porcję ładunku, dwuwartościowy dwie porcje itd.. Ładunek elektryczny potrzebny do wydzielenia równoważnika chemicznego, zwana jest stałą Faradaya i 4 wynosi ok. F 9,65 10 C / mol Ładunek elementarny 4 F,65 10 C / mol q0 1, N 6 10 / mol A 9 19 C 9/21

10 Atomy i jądra 10/21

11 Rozmiary atomów Po podzieleniu objętości molowej przez stałą Avogadro uzyskamy objętość zajmowaną przez pojedynczy atom gazu. Rozmiar liniowy takiej objętości to pierwiastek trzeciego stopnia z objętości. Tak więc atomy gazu są oddalone od siebie: Weźmy dla przykładu atom glinu, Al (wybieram Al, ponieważ jest to metal z dobrze upakowanymi atomami, o masie atomowej glinu bliskiej 27 i gęstości =2,7g/cm 3 ) cm 10cm V cm a Vo cm 2, N 6 10 / mol A cm 22415cm V0 3, N 6 10 / mol a 3 A V cm 3,3 10 Zauważmy: cząsteczka powietrza ma gęstość trzy rzędy mniejszą od gęstości ciała stałego ( w =1g/cm 3, pow =1,25g/l). 11/ cm cm 3 8 cm

12 Elektron ładunek i masa elektronu q m 1, C kg 1, m e 9, e e m 1, C C kg kg 12/21

13 Jądro atomowe Podobne pomiary, jak dla promieni katodowych, przeprowadził Thomson dla promieni dodatnich. Zastosował skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne i stwierdził, że promienie dodatnie mają również jednoznacznie określone wartości q/m. Przy założeniu, że ładunek jonu jest równy ładunkowi elementarnemu Thomson mógł wyznaczyć masę jonu wodoru, która zgodnie z oczekiwaniem okazała się 1836 razy większa od masy elektronu. Thomson obserwował więcej niż jedną wartość q/m dla niektórych czystych chemicznie gazów. Badanie q/m dla neonu o masie atomowej 20,18 wskazało na dwa rodzaje neonu o identycznych własnościach chemicznych, ale o różnych masach atomowych 20 i 22. (Izotopy) 13/21

14 Liczba atomowa i masowa Liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze to liczba masowa (A), która jest liczbą całkowitą, zbliżoną do masy atomowej pierwiastka. Liczba atomowa, decydująca o właściwościach chemicznych pierwiastka, to liczba protonów w jądrze, decyduje ona o ładunku jądra i jednocześnie o liczbie elektronów w powłoce atomowej, a jest oznaczana symbolem Z. Liczba neutronów jest oznaczana symbolem N. Liczba masowa, A=N+Z wskazuje ile razy atom cięższy jest od atomu wodoru. Tylko nieliczne substancje chemiczne składają się tylko z jednego rodzaju atomów. 14/21

15 Budowa jader (A, Z) 12 C He 15/21

16 Odkrycie jądra atomowego 16/21

17 Rozmiary jąder, eksperyment Rutherforda Przykładowe bezwzględne wartości promieni jader atomowych to: R (He)=2 fm, R(Mg)= 4 fm,, R( U ) = 7,5 fm, fm=10-15 m). 17/21

18 Przedstawienie modelowe r 11 atomu 5 10 m r 15 jadra 4 10 m Pestka wiśni,moneta d=1cm 10 4 cm=100m wysoka wieża 18/21

19 Rozmiary atomów i jąder 2 ~ 10 m ~ m ~ 10 2 m ~ m 19/21

20 Przykładowe atomy -schemat Atom wegla Atom helu 20/21

21 Masa protonu- gęstość materii jądrowej W jednym gramie wodoru znajduje się liczba atomów równa liczbie Avogadro (N A = 6x10 23 ) m N 1, g 6 10 Gęstość materii w nukleonie jest rzędu: g N 1, g 2, mln ton cm ,2 fm cm g Dziś wiemy, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, a ładunek jądra niosą tylko protony. Neutrony to cząstki neutralne o masie zbliżonej do masy protonu. 21/21

22 Rozpad 17/24.I EwŚ - Wykład 12 22/21

23 Radon - element szeregu rozpadu promieniotwórczego uranu 17/24.I EwŚ - Wykład 12 23/21

24 Aparatura Detektor Fotopowielacz ZWN P 17/24.I EwŚ - Wykład 12 24/21

25 Aparatura 17/24.I EwŚ - Wykład 12 25/21

26 Radon symbol Rn, Z=86; bezbarwny i bezwonny gaz; główne źródło promieniowania jonizującego na Ziemi; izotopy 222 Rn, 220 Rn i 219 Rn; izotop 222 Rn i produkty jego rozpadu są źródłem 40% promieniowania jonizującego, na jakie jesteśmy narażeni 17/24.I EwŚ - Wykład 12 26/21

27 Gdzie jest radon? Aktywność radonu (w Bq/m3) w naszym otoczeniu - dane orientacyjne. Miejsce pomiaru Aktywność [Bq/m3] powietrze przy gruncie 10 wietrzony pokój 40 pokój zamknięty 80 piwnica 400 pieczara /21