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三月 23, 2011, 16:03

日本9.0震災教我們的事 [自然]從週期表看核能輻射新聞

從週期表看這次的地震的新聞

鈾、鋯、碘-131、核反應、放射線、甲狀腺這些以往只出現在國中課本的名詞,躍居新聞版面,突然發現元素與生活的相關。

隨著每天新聞的內容,在課堂上介紹了不同名詞,希望減少因為未知帶來的恐慌,此篇的內容設定對象為國中生

要談核能必須先談元素,要談元素必須先從原子構造說起

原子構造

原子模型合成.jpg

質子數目決定該原子的化學性質

質子和電子所帶的電量相同,只是電性相反,所以在電中性的原子中,原子核外有多少個電子,原子核裡面就有多少質子,質子數目決定該原子的化學性質,也決定元素在週期表的位置

週期表

在元素陸續被發現的年代,科學家開始思索元素之間是否有其順序或規律,解決這問題的過程中就形成了元素週期表。

元素週期表像是化學家的菜單,現在的週期表依造原子序(質子數)為基準排列,排列後形成下表

元素週期表.jpg

圖片來源http://zh-yue.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E7%B4%A0%E9%80%B1%E6%9C%9F%E8%A1%A8


元素記號

為了方便說明元素有其統一的表達方法,以碘-131為例

元素記號.jpg

中子的任務

中子不帶電,對電子組態沒有影響,他的任務是增加強作用力,把原子核黏成一團。

原子核內的質子帶正電會相斥,所以當質子增加時,中子的數目也會跟著增加來維持原子核的結合,例如鉛元素,原子序82,質量數208,代表原子核除了有82個質子,還有126個中子,以維持原子核的穩定。

原子序超過83(83個質子)的元素,即使增加中子也很難維持原子核的穩定,因此多具有放射性。

同位素

同位素.jpg

週期表上在同一位置,但質量數不同的元素,這代表元素的質子數相同,但中子數不同,因為中子不影響原子的電子組態,所以中子不影響原子的化學性質,因此,每一種元素的同位素都有相同的化學性質。

以「氫」為例,按照氫的定義,凡是原子核內只有一個質子的元素,都屬於氫元素,然而氫也有好幾種同位素,一種同位素只含一個質子,稱為「氫-1」,第二種同位素原子核含有一個質子和一個中子,稱為「氫-2」,第三種同位素則有一個質子三個中子,稱為「氫-3」

所有的元素都有同位素,有些有放射性,有些沒有,原子序大於83的元素,其同位素都有放射性

放射線

輻射穿透.jpg原子會發射三種不同類型的射線,分別以希臘字母的頭三個字來命名,稱為α(阿爾法)射線,β(貝他)射線,γ(加瑪)射線。

α射線:粒子流,由兩個質子兩個中子合組而成。

β射線:電子流,原子核內的中子轉變成質子時會放出一個電子

γ射線:能量,和可見光一樣光,是一種電磁輻射的光子

1896年發現放射現象,放射線穿透性、破壞性、高產能等特性,引發各個領域的興趣,目前X光檢驗、放射線物質追蹤治療、核能發電便是利用這樣的原理。

衰變

質能轉換.jpg自然界中安定的原子核數量並不多,這是受到原子核不穩定的影響。

這些不穩定的粒子,會自動轉變成其他較穩定粒子,這個過程稱為「衰變」,單獨一個中子會自發蛻變成一個質子和一個電子,質量會減少,依質能等效的公式

E = m c 2 (m為質量,以公斤為單位,c為光速=3×108公尺/秒,E為能量,以焦耳為單位),一公斤的鈾經過分裂所產生的能量相當於300萬公斤的煤所產生的熱能

半衰期

粒子在放出放射線後,也轉換成不同粒子,而轉換的時間是有規律的,我們稱為「衰變週期」,一半放射性粒子發生衰變所需的時間稱為「半衰期」。

半衰期.jpg

例如:核能廢料中的銫-137,半衰期是30年,換句話說,如果福島核電廠2010年封廠,2040年時輻射粒子減少一半,2070年會剩2010年的1/4,整個環境輻射能要降低到適合人類居住,銫137約需10個週期,也就是300年,福島核電這塊地需要到2310年才適合人再居住。

因為每種元素衰變的時間不同,科學家可以利用測定某一元素量的量,並參考環境紀錄及半衰期資料,推算出地殼或化石的年代。

核能發電

2011-03-23_160010.jpg

核分裂反應式

核反應式.jpg

核能發電是利用「質能互換」的原理,利用中子撞擊鈾235,引發核分裂反應。原子核分裂時,會損失部分質量,而產生大量的熱,核電廠利用熱量把水加熱成水蒸氣來推動渦輪機,帶動發電機產生電力。

燃料周圍的水保持在高壓下,可以加熱到很高的溫度而不至於沸騰,高溫高壓的水把熱能傳送到第二個壓力較低的水系統,再以傳統方式運轉發電機,這種兩套分離的水系統設計可以避免放射性擴散到渦輪機。

這次福島核電廠的冷卻水系統因海嘯而停止運轉,造成爐內熱量無法帶走溫度持續上升,當水蒸發成蒸氣後,冷卻水位下降造成反應棒外露,高溫也造成反應棒外層的鋯與水反應產生氫氣,而形成3月12日的氫氣爆炸意外。

鋯(Zr)與氫爆:

首先我們來看看「鋯」在週期表的位置

鋯是一種耐腐蝕耐高溫的金屬,他能快速與空氣中的氧氣反應,在表面形成一層堅固的氧化鋯保護層,阻止內部金屬繼續與氧反應,常用在太空梭零件製造、人造鑽與核反應爐。

鋯合金具有在水中抗腐蝕能力強及不易吸收中子的特性,為避免鈾與水直接接觸,通常把鈾粒裝在鋯合金製的長管中,

鋯在高溫下,會與水蒸汽產生劇烈的化學反應,鋯將水分解為氫和氧,於是產生了大量的氫氣,同時伴隨著放熱。這種反應通常會發生在反應爐喪失冷卻事故的後期階段,核燃料棒未被冷卻液(可能是純水,有些可能已汽化)浸沒而處於裸露狀態,就產生了鋯水反應。但反應爐都會設計和安裝排氫系統,以避免爆炸的產生。

回想一下,3/11發生地震,3/12(六)早上,日本第一次宣布的是核電廠要做釋壓排放,即是排出這些氫氣,當然具有微量的放射線。

到了下午,因為鋯水反應產生太多氫氣,氫氣又是不太穩定的,所以產生了氫爆。

碘131與抗輻射

碘在周期表中屬於鹵素族,這一族元素均具有毒性,常用於自來水消毒(氯),傷口消毒(碘),國中實驗則常見於澱粉檢測。

碘是甲狀腺素的主要成份,人體吸收的碘都會在甲狀腺聚集,如有輻射外洩時,服用碘片可以先讓甲狀腺吸收「健康的碘」,當甲狀腺已充滿「健康的碘」,即便我們受到碘-131污染,也不用擔心甲狀腺會吸收,而造成生理的病變。

由此可知,利用擦拭優碘來抗輻射是絕對不可行的,此外,碘片也只能針對碘-131作預防,如果先受到感染後再服用,效果就不大,而且碘片更非萬能的輻射解毒計,他對銫、鈷等輻射曾是沒有預防的功能。

輻射與輻射預防

從數字看輻射

單位.jpg

人為與天然輻射

影響1.jpg

輻射防護Q&A

報紙.jpg

核電安全與處置

報紙1.jpg  

延伸網站

1.原子能委員會http://www.aec.gov.tw/www/index.php

2.輻射防護Q&A http://udn.com/NEWS/WORLD/WORS5/6213938.shtml

3.小豬老師核能介紹http://blog.udn.com/epig/4989089

4.多「碘」了解(輻射如何破壞人體) http://bell5-platform.blogspot.com/2011/03/blog-post_21.html

5.福島電廠會像原子彈一樣爆炸嗎?--很專業又不失幽默的解答

http://tw.myblog.yahoo.com/chin22288/article?mid=8624

6.適合小朋友的日本核電廠事件之動畫---肚子痛的原發君

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Comments
阿翔 Re: 日本9.0震災教我們的事 [自然]從週期表看核能輻射新聞 [回覆]

寫好久含畫圖終於完成了


作者: 阿翔 | 三月 23, 2011, 16:43

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