32.E: Matumizi ya Matibabu ya Fizikia ya nyuklia (Mazoezi)
- Page ID
- 182753
Maswali ya dhana
32.1: Imaging ya Matibabu na Utambuzi
1. Kwa upande wa kipimo cha mionzi, ni tofauti gani kubwa kati ya matumizi ya uchunguzi wa matibabu ya mionzi na matumizi ya matibabu ya matibabu?
2. Mojawapo ya mbinu zinazotumiwa kupunguza kiwango cha mionzi kwa mgonjwa katika upigaji picha za kimatibabu ni kuajiri isotopu na nusu-maisha mafupi. Jinsi gani hii kikomo dozi?
32.2: Athari za kibiolojia za mionzi ya ionizing
3. Isotopu ambazo hutoa\(\displaystyle α\) mionzi ni salama kiasi nje ya mwili na ndani ya hatari sana. Hata hivyo wale ambao hutoa\(\displaystyle γ\) mionzi ni hatari nje na ndani. Eleza kwa nini.
4. Kwa nini radon inahusishwa kwa karibu zaidi na kusababisha saratani ya mapafu kuliko aina nyingine za saratani?
5. RBE kwa nishati ya chini\(\displaystyle βs\) ni 1.7, wakati kwamba kwa nishati ya juu\(\displaystyle βs\) ni 1 tu. Eleza kwa nini, kwa kuzingatia jinsi mionzi mbalimbali inategemea nishati yake.
6. Njia gani za ulinzi wa mionzi zilizotumiwa kwenye kifaa kilichoonyeshwa kwenye picha ya kwanza kwenye Kielelezo? Ambayo yalitumiwa katika hali iliyoonyeshwa kwenye picha ya pili?
(a) Hii x-ray fluorescence mashine ni moja ya maelfu kutumika katika maduka ya viatu kuzalisha picha ya miguu kama kuangalia juu ya fit ya viatu. Wao hawajahifadhiwa na kubaki kwa muda mrefu kama miguu iko ndani yao, huzalisha dozi kubwa zaidi kuliko picha za matibabu. Watoto walivutiwa nao. Mashine hizi zilitumika katika maduka ya viatu hadi sheria zinazozuia yatokanayo na mionzi hiyo isiyofaa ilipitishwa katika miaka ya 1950. (mikopo: Andrew Kuchling) (b) Sasa kwa kuwa tunajua madhara ya yatokanayo na vifaa vya mionzi, usalama ni kipaumbele. (mikopo: Marekani Navy)
7. Nini radioisotopu inaweza kuwa tatizo katika nyumba zilizojengwa kwa vitalu vya cinder vilivyotengenezwa kutoka kwa mikia ya mgodi wa uranium? (Hii ni kweli kwa nyumba na shule katika baadhi ya mikoa karibu na migodi ya uranium.)
8. Je, baadhi ya aina za saratani ni nyeti zaidi kwa mionzi kuliko wengine? Ikiwa ndivyo, ni nini kinachowafanya kuwa nyeti zaidi?
9. Tuseme mtu hupiga vifaa vingine vya mionzi kwa ajali. Ni habari gani inahitajika ili uweze kutathmini uharibifu iwezekanavyo?
32.3: Matumizi ya matibabu ya mionzi ya Ionizing
10. Radiotherapy ni zaidi ya kutumika kutibu kansa kwa wagonjwa wazee kuliko kwa vijana. Eleza kwa nini. Kwa nini radiotherapy hutumiwa kutibu vijana wakati wote?
32.4: Mnururisho wa Chakula
11. Je, umeme wa chakula huacha chakula cha mionzi? Kwa kiasi gani chakula kinabadilishwa kemikali kwa viwango vya chini na vya juu katika mnururisho wa chakula?
12. Linganisha kiwango cha chini cha mionzi kwa mwanadamu mwenye kiwango cha chini cha mionzi inayotumiwa katika matibabu ya chakula.
13. Tuseme moja chakula mnururisho kupanda inatumia\(\displaystyle ^{137}Cs\) chanzo wakati mwingine anatumia shughuli sawa ya\(\displaystyle ^{60}Co\). Kutokana na sehemu ndogo sawa za\(\displaystyle γ\) mionzi kutoka kwa vyanzo zinachukuliwa, kwa nini muda mwingi unahitajika kupata dozi sawa kwa kutumia\(\displaystyle ^{137}Cs\) chanzo?
32.5: Fusion
14. Kwa nini fusion ya nuclei mwanga katika nuclei nzito kutolewa nishati?
15. Pembejeo ya nishati inahitajika kuunganisha nuclei za kati, kama vile chuma au cobalt, kuwa nuclei kubwa zaidi. Eleza kwa nini.
16. Katika kuzingatia athari za fusion uwezo, ni faida gani ya mmenyuko\(\displaystyle ^2H+^3H→^4He+n\) juu ya mmenyuko\(\displaystyle ^2H+^2H→^3He+n\)?
17. Kutoa sababu za kuthibitisha ugomvi uliofanywa katika maandishi kwamba nishati kutoka kwa mmenyuko wa fusion\(\displaystyle ^2H+^2H→^4He+γ\) ni vigumu kukamata na kutumia.
32.6: Kupasuka
19. Eleza kwa nini fission ya nuclei nzito hutoa nishati. Vile vile, kwa nini ni kwamba pembejeo ya nishati inahitajika kwa nuclei ya mwanga wa fission?
20. Eleza, kwa upande wa uhifadhi wa kasi na nishati, kwa nini migongano ya neutroni na protoni itapunguza neutroni bora kuliko migongano na oksijeni.
21. Magofu ya Reactor ya Chernobyl yanafungwa katika muundo mkubwa wa saruji uliojengwa karibu na hilo baada ya ajali. Mvua fulani huingia jengo wakati wa majira ya baridi, na radioactivity kutoka jengo huongezeka. Hii inamaanisha nini kinachotokea ndani?
22. Tangu uranium au plutonium kiini fissions katika vipande kadhaa fission ambao wingi usambazaji inashughulikia mbalimbali ya vipande, je, unatarajia zaidi mabaki radioactivity kutoka fission ya fusion ya fusion? Eleza.
23. Msingi wa reactor ya nyuklia huzalisha kiasi kikubwa cha nishati ya joto kutokana na kuoza kwa bidhaa za fission, hata wakati mmenyuko wa mnyororo wa fission unaozalisha nguvu umezimwa. Je, joto hili la mabaki litakuwa kubwa zaidi baada ya reactor kukimbia kwa muda mrefu au muda mfupi? Nini kama Reactor imefungwa kwa miezi?
24. Je! Reactor ya nyuklia inaweza kuwa na raia wengi muhimu na sio kwenda supercritical? Njia gani zinazotumiwa kudhibiti fission katika reactor?
25. Kwa nini nuclei nzito na idadi isiyo ya kawaida ya neutroni inaweza kuingizwa na fission na neutroni za mafuta, wakati wale walio na idadi hata ya neutroni wanahitaji pembejeo zaidi ya nishati ili kushawishi fission?
26. Kwa nini reactor ya nyuklia ya kawaida ya fission haiwezi kulipuka kama bomu?
32.7: Silaha za nyuklia
27. Je, ni baadhi ya sababu ambazo plutonium badala ya uranium hutumiwa katika mabomu yote fission na kama trigger katika mabomu yote fusion?
28. Tumia sheria za uhifadhi wa kasi na nishati kueleza jinsi malipo ya umbo yanaweza kuelekeza zaidi ya nishati iliyotolewa katika mlipuko katika mwelekeo maalum. (Kumbuka kuwa hii ni sawa na hali katika bunduki na mizingira-wengi wa nishati huenda katika risasi.)
29. Jinsi gani deuteride lithiamu katika bomu thermonuclear inavyoonekana katika Kielelezo ugavi tritium (\(\displaystyle ^3H\)) pamoja na deuterium (\(\displaystyle ^2H\))?
30. Kuanguka kwa vipimo vya silaha za nyuklia katika anga ni hasa\(\displaystyle ^{90}Sr\) na\(\displaystyle ^{137}Cs\), ambazo zina 28.6- na 32.2-y nusu ya maisha, kwa mtiririko huo. Vipimo vya angahewa vilikomeshwa katika nchi nyingi mwaka 1963, ingawa China ilifanya hivyo tu mwaka 1980. Imegundulika ya kwamba shughuli za mazingira za isotopi hizi mbili zinapungua kwa kasi zaidi kuliko nusu-maisha yao. Kwa nini hii inaweza kuwa?
Matatizo na Mazoezi
32.1: Imaging ya Matibabu na Utambuzi
31. Jenereta ya neutroni inatumia\(\displaystyle α\) chanzo, kama vile radiamu, kumshambulia berylliamu, na kusababisha mmenyuko\(\displaystyle ^4He+^9Be→^{12}C+n\). Vyanzo hivyo vya neutroni huitwa vyanzo vya RABE, au vyanzo vya PubE ikiwa wanatumia plutoniamu kupata\(\displaystyle α\) s.
Suluhisho
5.701 MeV
32. Neutroni kutoka chanzo (labda ile iliyojadiliwa katika tatizo iliyotangulia) hupiga molybdenum ya asili, ambayo ni asilimia 24\(\displaystyle ^{98}Mo\). Je, ni pato la nishati ya mmenyuko\(\displaystyle ^{98}Mo+n→^{99}Mo+γ\)? Masi ya\(\displaystyle ^{98}Mo\) hutolewa katika Kiambatisho A: Misa ya Atomiki, na ile ya\ (\ displaystyle ^ {99} Mo\ _ ni 98.907711 u.
33. Kusudi la kuzalisha\(\displaystyle ^{99}Mo\) (kwa kawaida kwa uanzishaji wa neutroni wa molybdenum ya asili, kama ilivyo katika tatizo lililotangulia) ni kuzalisha\(\displaystyle ^{99m}Tc\). Kutumia sheria, kuthibitisha kwamba\(\displaystyle β^−\) kuoza kwa\(\displaystyle ^{99}Mo\) inazalisha\(\displaystyle ^{99m}Tc\). (\(\displaystyle ^{99m}Tc\)Nuclei nyingi zinazozalishwa katika kuoza hii zimeachwa katika hali ya metastable ya msisimko iliyoashiria\(\displaystyle ^{99m}Tc\).)
Suluhisho
\(\displaystyle ^{99}_{42}Mo_{57}→^{99}_{43}Tc_{56}+β^−+\bar{v_e}\)
34. (a)\(\displaystyle γ\) Mionzi miwili ya uharibifu katika Scan ya PET hutoka kwa hatua moja na kusafiri kwa detectors upande wowote wa mgonjwa. Ikiwa hatua ya asili ni 9.00 cm karibu na mmoja wa detectors, ni tofauti gani katika nyakati za kuwasili za photons? (Hii inaweza kutumika kutoa taarifa msimamo, lakini tofauti wakati ni ndogo ya kutosha kufanya ni vigumu.)
(b) Unahitaji usahihi gani kupima tofauti za wakati wa kuwasili ili kupata azimio la msimamo wa 1.00 mm?
35. Jedwali inaonyesha kuwa 7.50 MCI ya\(\displaystyle ^{99m}Tc\) hutumiwa katika Scan ubongo. Je, ni wingi wa technetium?
Suluhisho
\(\displaystyle 1.43×10^{−9}g\)
36. Shughuli za\(\displaystyle ^{131}I\) na\(\displaystyle ^{123}I\) kutumika katika scans ya tezi hutolewa katika Jedwali kuwa 50 na\(\displaystyle 70 μCi\), kwa mtiririko huo. Kupata na kulinganisha raia wa\(\displaystyle ^{131}I\) na\(\displaystyle ^{123}I\) katika scans vile, kutokana na nusu ya maisha yao ni 8.04 d na 13.2 h raia ni ndogo sana kwamba radioiodine kawaida huchanganywa na iodini imara kama carrier ili kuhakikisha kemia ya kawaida na usambazaji katika mwili.
37. (a) Neutron uanzishaji wa sodiamu, ambayo ni 100%\(\displaystyle ^{23}Na\), inazalisha\(\displaystyle ^{24}Na\), ambayo hutumiwa katika scans baadhi ya moyo, kama inavyoonekana katika Jedwali. Equation kwa mmenyuko ni\(\displaystyle ^{23}Na+n→^{24}Na+γ\). Kupata nishati yake pato, kutokana na wingi wa\(\displaystyle ^{24}Na\) ni 23.990962 u.
(b) Ni molekuli gani\(\displaystyle ^{24}Na\) inayozalisha shughuli zinazohitajika 5.0-MCI, kutokana na nusu yake ya maisha ni 15.0 h?
Suluhisho
(a) 6.958 MeV
(b)\(\displaystyle 5.7×10^{−10}g\)
32.2: Athari za kibiolojia za mionzi ya ionizing
38. Je! Ni kipimo gani katika mSv kwa:
(a) a 0.1 Gy x-ray?
(b) 2.5 mGy ya nyutroni yatokanayo na jicho?
(c) 1.5 mGy ya mfiduo α?
Suluhisho
(a) 100 mSv
(b) 80 mSv
(c) ~ 30 mSv
39. Pata kipimo cha mionzi katika Gy kwa:
(a) 10-mSV fluoroscopic x-ray mfululizo.
(b) 50 mSv ya mfiduo wa ngozi na\(\displaystyle α\) emitter.
(c) 160 mSv ya\(\displaystyle β^–\) na\(\displaystyle γ\) rays kutoka\(\displaystyle ^{40}K\) katika mwili wako.
40. Ni gy ngapi ya mfiduo inahitajika ili kutoa tumor ya saratani dozi ya 40 Sv ikiwa inaonekana kwa shughuli α?
Suluhisho
~2 Gy
41. Je! Ni kipimo gani katika Sv katika matibabu ya kansa ambayo hufunua mgonjwa kwa\(\displaystyle γ\) mionzi ya 200 Gy?
42. Nusu moja ya\(\displaystyle γ\) mionzi kutoka\(\displaystyle ^{99m}Tc\) hutolewa na shielding ya kuongoza 0.170-mm-nene. Nusu ya\(\displaystyle γ\) mionzi ambayo hupita kwenye safu ya kwanza ya risasi huingizwa kwenye safu ya pili ya unene sawa. Nini unene wa risasi utachukua yote lakini moja katika 1000 ya\(\displaystyle γ\) mionzi hii?
Suluhisho
1.69 mm
43. Fundi bomba kwenye mmea wa nguvu za nyuklia hupokea kipimo cha mwili mzima cha 30 mSv katika dakika 15 huku akitengeneza valve muhimu. Kupata mionzi ikiwa kila mwaka hatari ya kifo kutokana na kansa na nafasi ya kasoro maumbile kutoka yatokanayo hii upeo halali.
44. Katika miaka ya 1980, neno picowave lilitumika kuelezea mnururisho wa chakula ili kuondokana na upinzani wa umma kwa kucheza kwenye usalama maalumu wa mionzi ya microwave. Pata nishati katika MeV ya photon iliyo na wavelength ya picometer.
Suluhisho
1.24 MeV
45. Kupata wingi wa\(\displaystyle ^{239}Pu\) ambayo ina shughuli ya\(\displaystyle 1.00 μCi\).
32.3: Matumizi ya matibabu ya mionzi ya Ionizing
46. Boriti ya nuclei ya nitrojeni 168-mev hutumiwa kwa tiba ya kansa. Ikiwa boriti hii inaelekezwa kwenye tumor ya 0.200-kg na inatoa dozi ya 2.00-Sv, ni nuclei ngapi za nitrojeni zilizosimamishwa? (Tumia RBE ya 20 kwa ions nzito.)
Suluhisho
\(\displaystyle 7.44×10^8\)
47. (a) Ikiwa wastani wa molekuli ya misombo katika chakula ni 50.0 g, ni molekuli ngapi zilizopo katika kilo 1.00 ya chakula?
(b) Ni jozi ngapi za ion zinaundwa katika kilo 1.00 ya chakula, ikiwa ni wazi kwa Sv 1000 na inachukua 32.0 eV kuunda jozi ya ion?
(c) Pata uwiano wa jozi za ion kwa molekuli.
(d) Ikiwa jozi hizi za ion zinaunganisha tena katika usambazaji wa misombo mpya ya 2000, ni sehemu ngapi kwa kila bilioni ni kila mmoja?
48. Tumia dozi katika Sv kwa kifua cha mgonjwa aliyepewa x-ray chini ya masharti yafuatayo. Kiwango cha boriti ya x-ray ni\(\displaystyle 1.50 W/m^2\), eneo la kifua kilicho wazi ni\(\displaystyle 0.0750m^2\), 35.0% ya x-rays huingizwa katika kilo 20.0 ya tishu, na wakati wa mfiduo ni 0.250 s.
Suluhisho
\(\displaystyle 4.92×10^{–4}Sv\)
49. (a) Mgonjwa wa saratani anajulikana kwa mionzi γ kutoka kitengo cha\(\displaystyle ^{60}Co\) transillumination cha 5000-Ci kwa 32.0 s.\(\displaystyle γ\) mionzi ni collimated kwa namna ambayo 1.00% tu ya watu mgomo mgonjwa. Kati ya hizo, 20.0% huingizwa katika tumor yenye uzito wa kilo 1.50. Je! Ni kipimo gani katika rem kwa tumor, ikiwa\(\displaystyle γ\) nishati ya wastani kwa kuoza ni 1.25 MeV? Hakuna hata mmoja wa\(\displaystyle β\) s kutoka kuoza kufikia mgonjwa.
(b) Je, kipimo kinalingana na vipimo vya matibabu vilivyoelezwa?
50. Je, ni wingi wa 60Co katika kitengo cha transillumination cha tiba ya saratani kilicho na 5.00 kCi ya 60Co?
Suluhisho
4.43 g
51. Kiasi kikubwa cha\(\displaystyle ^{65}Zn\) huzalishwa kwa shaba kilicho wazi kwa mihimili ya kasi. Wakati machining uchafu shaba, mwanafizikia ingests\(\displaystyle 50.0 μCi\) ya\(\displaystyle ^{65}Zn\). Kila\(\displaystyle ^{65}Zn\) kuoza hutoa wastani\(\displaystyle γ\) -ray nishati ya 0.550 MeV, 40.0% ambayo ni kufyonzwa katika mwili wa mwanasayansi 75.0-kg. Ni kipimo gani katika mSv kinasababishwa na hii kwa siku moja?
52. Kutokea kwa kawaida\(\displaystyle ^{40}K\) huorodheshwa kama kuwajibika kwa 16 mrem/y ya mionzi background. Kuhesabu wingi wa\(\displaystyle ^{40}K\) hiyo lazima iwe ndani ya mwili wa kilo 55 wa mwanamke kuzalisha kipimo hiki. Kila\(\displaystyle ^{40}K\) kuoza hutoa 1.32-MEV β, na 50% ya nishati huingizwa ndani ya mwili.
Suluhisho
0.010 g
53. (a) Mionzi ya asili kutokana na\(\displaystyle ^{226}Ra\) wastani wa 0.01 mSV/y tu, lakini inaweza kutofautiana zaidi kulingana na mahali ambapo mtu anaishi. Pata uzito wa\(\displaystyle ^{226}Ra\) mwili wa kilo 80.0-ya mtu ambaye anapata dozi ya 2.50-msV/y kutoka humo, akibainisha kuwa kila\(\displaystyle ^{226}Ra\) kuoza hutoa chembe ya 4.80-MEV α. Unaweza kupuuza dozi kutokana na binti na kudhani kiasi cha mara kwa mara, sawasawa kusambazwa kutokana na kumeza uwiano na kuondoa mwili.
(b) Je, ni ajabu kwamba molekuli ndogo kama hiyo inaweza kusababisha kipimo cha mionzi? Eleza.
54. Kiwango cha mionzi ya kila mwaka kutoka\(\displaystyle ^{14}C\) katika miili yetu ni 0.01 mSV/y. kila\(\displaystyle ^{14}C\) kuoza hutoa\(\displaystyle β^–\) wastani wa 0.0750 mEV. Kuchukua sehemu ya\(\displaystyle ^{14}C\) kuwa\(\displaystyle 1.3×10^{–12}N\) ya kawaida\(\displaystyle ^{12}C\), na kuchukua mwili ni 13% kaboni, makisio sehemu ya nishati ya kuoza kufyonzwa. (Wengine hupuka, wakiwafichua wale walio karibu nawe.)
Suluhisho
95%
55. Ikiwa kila mtu nchini Australia alipata ziada ya 0.05 mSv kwa mwaka wa mionzi, ingekuwa ongezeko gani la idadi ya vifo vya kansa kwa mwaka? (Kudhani kwamba muda uliopita kwa ajili ya madhara ya kuwa dhahiri.) Kudhani kwamba kuna\(\displaystyle 200×10^{−4}\) vifo kwa kila Sv ya mionzi kwa mwaka. Ni asilimia gani ya idadi halisi ya vifo vya saratani iliyorekodiwa ni hii?
32.5: Fusion
56. Thibitisha kwamba idadi ya nucleons, malipo ya jumla, na nambari ya familia ya elektroni huhifadhiwa kwa kila athari za fusion katika mzunguko wa protoni-proton katika
\(\displaystyle ^1H+^1H→^2H+e^++v_e\),
\(\displaystyle ^1H+^2H→^3He+γ\),
na
\(\displaystyle ^3He+^3He→^4He+^1H+^1H\).
(Orodha ya thamani ya kila kiasi kilichohifadhiwa kabla na baada ya kila athari.)
Suluhisho
(a)\(\displaystyle A=1+1=2, Z=1+1=1+1, efn=0=−1+1\)
(b)\(\displaystyle A=1+2=3, Z=1+1=2, efn=0=0\)
(c)\(\displaystyle A=3+3=4+1+1, Z=2+2=2+1+1, efn=0=0\)
57. Tumia pato la nishati katika kila athari za fusion katika mzunguko wa protoni-proton, na uhakikishe maadili yaliyotolewa katika muhtasari hapo juu.
58. Onyesha kwamba nishati ya jumla iliyotolewa katika mzunguko wa protoni-proton ni 26.7 MeV, kwa kuzingatia athari ya jumla ndani\(\displaystyle ^1H+^1H→^2H+e^++v_e, ^1H+^2H→^3He+γ\),\(\displaystyle ^3He+^3He→^4He+^1H+^1H\) na kuwa na uhakika wa kuingiza nishati ya uharibifu.
Suluhisho
\(\displaystyle E=(m_i−m_f)c^2=[4m(^1H)−m(^4He)]c^2=[4(1.007825)−4.002603](931.5 MeV)=26.73 MeV\)
59. Thibitisha kwa kuorodhesha idadi ya nucleons, malipo ya jumla, na namba ya familia ya elektroni kabla na baada ya mzunguko kwamba kiasi hiki huhifadhiwa katika mzunguko wa jumla wa protoni-proton in\(\displaystyle 2e^−+4^1H→^4He+2v_e+6γ\).
60. Nishati zinazozalishwa na fusion ya mchanganyiko wa kilo 1.00-ya deuterium na tritium ilipatikana katika Mfano Kuhesabu Nishati na Nguvu kutoka Fusion. Takriban kilo ngapi zingehitajika kutoa matumizi ya nishati ya kila mwaka nchini Marekani?
Suluhisho
\(\displaystyle 3.12×10^5kg\) (kuhusu tani 200)
61. Tritium ni kawaida sana, lakini inaweza kutolewa na majibu\(\displaystyle n+^2H→^3H+γ\). Ni kiasi gani cha nishati katika MeV kinachotolewa katika kukamata kwa neutroni hii?
62. Athari mbili za fusion zilizotajwa katika maandiko ni
\(\displaystyle n+^3He→^4He+γ\)
na
\(\displaystyle n+^1H→^2H+γ\).
Athari zote hutoa nishati, lakini pili pia hujenga mafuta zaidi. Thibitisha kwamba nguvu zinazozalishwa katika athari ni 20.58 na 2.22 MeV, kwa mtiririko huo. Maoni ambayo bidhaa nuclide ni zaidi kukazwa amefungwa,\(\displaystyle ^4He\) au\(\displaystyle ^2H\).
Suluhisho
\(\displaystyle E=(m_i−m_f)c^2\)
\(\displaystyle E_1=(1.008665+3.016030−4.002603)(931.5 MeV)=20.58 MeV\)
\(\displaystyle E_2=(1.008665+1.007825−2.014102)(931.5 MeV)=2.224 MeV\)
\(\displaystyle ^4He\) limefungwa zaidi, kwani mmenyuko huu hutoa nishati zaidi kwa nucleon.
63. (a) Tumia idadi ya gramu za deuterium katika bwawa la kuogelea la 80,000-L, kutokana na deuterium ni 0.0150% ya hidrojeni ya asili.
(b) Kupata nishati iliyotolewa katika joules kama deuterium hii ni fused kupitia majibu\(\displaystyle ^2H+^2H→^3He+n\).
(c) Je, nyutroni zinaweza kutumika kutengeneza nishati zaidi?
(d) Kujadili kiasi cha aina hii ya nishati katika bwawa la kuogelea ikilinganishwa na kwamba katika, kusema, lita ya petroli, pia kuzingatia kwamba maji ni mbali zaidi tele.
64. Ni kilo ngapi za maji zinahitajika ili kupata 198.8 mol ya deuterium, kwa kudhani kwamba deuterium ni 0.01500% (kwa idadi) ya hidrojeni ya asili?
Suluhisho
\(\displaystyle 1.19×10^4kg\)
65. Pato la nguvu la Jua ni\(\displaystyle 4×10^{26}W\).
(a) Ikiwa 90% ya hii hutolewa na mzunguko wa protoni-protoni, ni protoni ngapi zinazotumiwa kwa pili?
(b) Ni neutrinos ngapi kwa sekunde inapaswa kuwepo kwa kila mita ya mraba duniani kutokana na mchakato huu? Idadi hii kubwa ni dalili ya jinsi mara chache neutrino inavyoingiliana, kwani detectors kubwa huangalia wachache sana kwa siku.
66. Seti nyingine ya athari zinazosababisha fusion ya hidrojeni kuwa heliamu katika Jua na hasa katika nyota kali huitwa mzunguko wa kaboni. Ni
\(\displaystyle ^{12}C+^1H→^{13}N+γ\),
\(\displaystyle ^{13}N→^{13}C+e^++v_e\),
\(\displaystyle ^{13}C+^1H→^{14}N+γ\),
\(\displaystyle ^{14}N+^1H→^{15}O+γ\),
\(\displaystyle ^{15}O→^{15}N+e^++v_e\),
\(\displaystyle ^{15}N+^1H→^{12}C+^4He\).
Andika athari ya jumla ya mzunguko wa kaboni (kama ilivyofanyika kwa mzunguko wa protoni-proton in\(\displaystyle 2e^−+4^1H→^4He+2v_e+6γ\)). Kumbuka idadi ya protoni (\(\displaystyle ^1H\)) required na kudhani kwamba positrons (\(\displaystyle e^+\)) kuangamiza elektroni kuunda\(\displaystyle γ\) rays zaidi.
Suluhisho
\(\displaystyle 2e^−+4^1H→^4He+7γ+2v_e\)
67. (a) Pata nishati ya jumla iliyotolewa katika MeV katika kila mzunguko wa kaboni (iliyoelezwa katika tatizo hapo juu) ikiwa ni pamoja na nishati ya uharibifu.
(b) Hii inalinganishaje na pato la mzunguko wa protoni-proton?
68. Thibitisha kwamba idadi ya nucleons, malipo ya jumla, na namba ya familia ya elektroni huhifadhiwa kwa kila moja ya athari za fusion katika mzunguko wa kaboni iliyotolewa katika tatizo hapo juu. (Orodha ya thamani ya kila kiasi kilichohifadhiwa kabla na baada ya kila athari.)
Suluhisho
(a)\(\displaystyle A=12+1=13, Z=6+1=7, efn=0=0\)
(b)\(\displaystyle A=13=13, Z=7=6+1, efn=0=−1+1\)
(c)\(\displaystyle A=13+1=14, Z=6+1=7, efn=0=0\)
(d)\(\displaystyle A=14+1=15, Z=7+1=8, efn=0=0\)
(e)\(\displaystyle A=15=15, Z=8=7+1, efn=0=−1+1\)
(f)\(\displaystyle A=15+1=12+4, Z=7+1=6+2, efn=0=0\)
69. Dhana Jumuishi
Mfumo wa laser uliojaribiwa kwa kifungo cha inertial unaweza kuzalisha pigo la 100-kJ tu 1.00 ns kwa muda.
(a) Ni pato gani la nguvu la mfumo wa laser wakati wa pigo fupi?
(b) Ni photons ngapi ziko katika pigo, kutokana na wavelength yao ni\(\displaystyle 1.06 µm\)?
(c) Je, ni kasi ya jumla ya photons hizi zote?
(d) Je, jumla ya photon kasi inalinganishwa na ile ya moja 1.00 MeV deuterium kiini?
70. Dhana Jumuishi
Pata kiasi cha nishati iliyotolewa kwa\(\displaystyle ^4He\) kiini na\(\displaystyle γ\) ray katika mmenyuko\(\displaystyle n+^3He→^4He+γ\), kwa kutumia uhifadhi wa kanuni ya kasi na kuchukua reactants kuwa awali katika mapumziko. Hii inapaswa kuthibitisha ugomvi kwamba nishati nyingi huenda kwenye γ ray.
Suluhisho
\(\displaystyle E_γ=20.6 MeV\)
\(\displaystyle E_{^4He}=5.68×10^{−2}MeV\)
71. Dhana Jumuishi
(a) Gesi gani ya joto ingekuwa na atomi kusonga kwa kasi ya kutosha kuleta\(\displaystyle ^3He\) viini viwili katika kuwasiliana? Kumbuka kwamba, kwa sababu wote wanahamia, wastani wa nishati ya kinetic inahitaji tu kuwa nusu ya nishati ya uwezo wa umeme wa viini hivi vya kushtakiwa mara mbili wakati wa kuwasiliana na mtu mwingine.
(b) Je, joto hili la juu linamaanisha matatizo ya vitendo kwa kufanya hivyo katika fusion iliyodhibitiwa?
72. Dhana Jumuishi
(a) Tathmini ya miaka ambayo mafuta ya deuteriamu katika bahari yanaweza kutoa mahitaji ya nishati duniani. Fikiria matumizi ya nishati duniani kuwa mara kumi ya Marekani ambayo ni\(\displaystyle 8×10^{19} J/y\) na kwamba deuterium katika bahari inaweza kubadilishwa kuwa nishati na ufanisi wa 32%. Lazima ukadiria au kuangalia kiasi cha maji katika bahari na kuchukua maudhui ya deuterium kuwa 0.015% ya hidrojeni asilia ili kupata wingi wa deuterium inapatikana. Kumbuka kuwa mavuno ya nishati ya deuterium ni\(\displaystyle 3.37×10^{14} J/kg\).
(b) Maoni juu ya muda gani huu ni kwa kipimo chochote cha kibinadamu. (Sio matokeo yasiyo ya maana, ni moja tu ya kushangaza.)
Suluhisho
(a)\(\displaystyle 3×10^9y\)
(b) Hii ni takriban nusu ya maisha ya Dunia.
32.6: Kupasuka
73. (a) Kuhesabu nishati iliyotolewa katika fission ya neutron-ikiwa (sawa na fission hiari katika Mfano)
\(\displaystyle n+^{238}U→^{96}Sr+^{140}Xe+3n,\)
aliyopewa\(\displaystyle m(^{96}Sr)=95.921750 u\) na\(\displaystyle m(^{140}Xe)=139.92164.\)
(b) Matokeo haya ni kuhusu 6 MeV kubwa kuliko matokeo ya fission ya hiari. Kwa nini?
(c) Thibitisha kwamba idadi ya nucleons na malipo ya jumla huhifadhiwa katika mmenyuko huu.
Suluhisho
(a) 177.1 MeV
(b) Kwa sababu faida ya neutroni ya nje huzaa takriban 6 MeV, ambayo ni wastani\(\displaystyle BE/A\) kwa viini nzito.
(c)\(\displaystyle A=1+238=96+140+1+1+1,Z=92=38+53,efn=0=0\)
74. (a) Tumia hesabu ya nishati iliyotolewa katika mmenyuko wa fission unaosababishwa na neutroni
\(\displaystyle n+^{235}U→^{92}Kr+^{142}Ba+2n,\)
aliyopewa\(\displaystyle m(^{92}Kr)=91.926269 u\) na\(\displaystyle m(^{142}Ba)=141.916361u.\)
(b) Thibitisha kwamba idadi ya nucleons na malipo ya jumla huhifadhiwa katika mmenyuko huu.
75. (a) Tumia hesabu ya nishati iliyotolewa katika mmenyuko wa fission unaosababishwa na neutroni
\(\displaystyle n+^{239}Pu→^{96}Sr+^{140}Ba+4n,\)
aliyopewa\(\displaystyle m(^{96}Sr)=95.921750 u\) na\(\displaystyle m(^{140}Ba)=139.910581 u.\)
(b) Thibitisha kwamba idadi ya nucleons na malipo ya jumla huhifadhiwa katika mmenyuko huu.
Suluhisho
(a) 180.6 MeV
(b)\(\displaystyle A=1+239=96+140+1+1+1+1,Z=94=38+56,efn=0=0\)
76. Thibitisha kwamba kila moja ya athari waliotajwa kwa ajili ya kuzaliana plutonium tu zifuatazo Mfano conserves idadi ya nucleons, malipo ya jumla, na elektroni idadi ya familia.
77. Kuzalisha plutonium hutoa nishati hata kabla ya plutonium yoyote kufutwa. (Madhumuni ya msingi ya mitambo minne ya nyuklia huko Chernobyl ilikuwa kuzaliana plutonium kwa silaha. Nguvu za umeme zilikuwa ni bidhaa inayotumiwa na wakazi wa raia.) Mahesabu ya nishati zinazozalishwa katika kila moja ya athari waliotajwa kwa ajili ya kuzaliana plutonium tu zifuatazo Mfano. Raia muhimu ni\(\displaystyle m(^{239}U)=239.054289 u, m(^{239}Np)=239.052932 u,\) na\(\displaystyle m(^{239}Pu)=239.052157 u.\)
Suluhisho
\(\displaystyle ^{238}U+n→^{239}U+γ 4.81 MeV\)
\(\displaystyle ^{239}U→^{239}Np+β^−+v_e 0.753 MeV\)
\(\displaystyle ^{239}Np→^{239}Pu+β^−+v_e 0.211 MeV\)
78. Isotopu ya mionzi inayojitokeza kwa asili\(\displaystyle ^{232}Th\) haifanyi mafuta mazuri ya fission, kwa sababu ina idadi hata ya nyutroni; hata hivyo, inaweza kuzalishwa kuwa fueli inayofaa (kama\(\displaystyle ^{238}U\) inavyoingizwa ndani\(\displaystyle ^{239}P\)).
(a) Ni nini\(\displaystyle Z\) na\(\displaystyle N\) kwa\(\displaystyle ^{232}Th\)?
(b) Andika equation mmenyuko kwa neutroni alitekwa\(\displaystyle ^{232}Th\) na kutambua nuclide\(\displaystyle ^AX\) zinazozalishwa katika\(\displaystyle n+^{232}Th→^AX+γ\).
(c) Kiini cha bidhaa βkinaharibika, kama vile binti yake. Andika equations ya kuoza kwa kila mmoja, na kutambua kiini cha mwisho.
(d) Thibitisha kwamba kiini cha mwisho kina idadi isiyo ya kawaida ya neutroni, na kuifanya kuwa mafuta bora ya fission.
(e) Angalia nusu ya maisha ya kiini cha mwisho ili uone ikiwa huishi muda mrefu wa kutosha kuwa mafuta yenye manufaa.
79. Pato la umeme la kituo kikubwa cha reactor nyuklia ni 900 MW. Ina ufanisi wa 35.0% katika kugeuza nguvu za nyuklia kwa umeme.
(a) Ni pato gani la nguvu za nyuklia katika megawati?
(b) Ni\(\displaystyle ^{235}U\) ngapi nuclei fission kila pili, kuchukua fission wastani inazalisha 200 MeV?
(c) Ni molekuli gani ya\(\displaystyle ^{235}U\) ni fissioned katika mwaka mmoja wa operesheni kamili ya nguvu?
Suluhisho
(a)\(\displaystyle 2.57×10^3MW\)
(b)\(\displaystyle 8.03×10^{19}\) fission/s
(c) 991 kg
80. Reactor kubwa ya nguvu ambayo imekuwa ikifanya kazi kwa miezi kadhaa imezimwa, lakini shughuli za mabaki katika msingi bado zinazalisha 150 MW ya nguvu. Ikiwa nishati ya wastani kwa kuoza kwa bidhaa za fission ni 1.00 MeV, ni shughuli gani ya msingi katika curies?
32.7: Silaha za nyuklia
81. Find molekuli waongofu katika nishati na bomu 12.0-kt.
Suluhisho
0.56 g
82. Masi gani inabadilishwa kuwa nishati na bomu la 1.00-MT?
83. Mabomu ya fusion hutumia nyutroni kutoka kwa trigger yao ya fission ili kuunda mafuta ya tritium katika mmenyuko\(\displaystyle n+^6Li→^3H+^4He\). Nishati iliyotolewa na mmenyuko huu katika MeV ni nini?
Suluhisho
4.781 MeV
84. Inakadiriwa kuwa jumla ya mavuno ya kulipuka kwa mabomu yote ya nyuklia yaliyopo sasa ni takriban 4,000 MT.
(a) Badilisha kiasi hiki cha nishati kwa kilowatt-hours, akibainisha kuwa\(\displaystyle 1 kW⋅h=3.60×10^6J\).
(b) Thamani ya fedha ya nishati hii itakuwa nini kama ingeweza kubadilishwa kuwa umeme kugharimu senti 10 kwa kW· h?
85. Silaha ya nyuklia iliyoimarishwa na mionzi (au bomu ya nyutroni) inaweza kuwa na mavuno madogo ya jumla na bado hutoa mionzi ya haraka zaidi kuliko bomu la kawaida la nyuklia Hii inaruhusu matumizi ya mabomu ya neutroni kuua vikosi vya adui vilivyo karibu na mionzi bila kupiga vikosi vyako na mlipuko. Kwa 0.500-kt mionzi kuimarishwa silaha na 1.00-kt kawaida bomu nyuklia: (a) Linganisha mavuno mlipuko. (b) Linganisha mavuno ya mionzi ya haraka.
Solution
(a) Blast mavuno\(\displaystyle 2.1×10^{12}J\) kwa\(\displaystyle 8.4×10^{11}J\), au 2.5 kwa 1, kawaida kwa mionzi kuimarishwa.
(b) Mazao ya mionzi\(\displaystyle 6.3×10^{11}J\) ya haraka\(\displaystyle 2.1×10^{11}J\), au 3 kwa 1, mionzi kuimarishwa kwa kawaida.
86. (a) Ni\(\displaystyle ^{239}Pu\) nuclei ngapi lazima fission kuzalisha mavuno 20.0-kt, kuchukua 200 MeV kwa fission?
(b) Uzito wa kiasi hiki ni nini\(\displaystyle ^{239}Pu\)?
87. Kudhani moja ya nne ya mavuno ya kawaida 320-kt mkakati bomu linatokana na athari fission wastani 200 MeV na salio kutoka athari fusion wastani 20 MeV.
(a) Kuhesabu idadi ya fissions na molekuli takriban ya uranium na plutonium fissioned, kuchukua wastani wa molekuli atomiki kuwa 238.
(b) Kupata idadi ya fusions na mahesabu ya molekuli takriban ya mafuta fusion, kuchukua wastani wa jumla atomiki molekuli ya viini mbili katika kila mmenyuko kuwa 5.
(c) Kuzingatia raia waliopatikana, je, inaonekana kuwa na busara kwamba baadhi ya makombora yanaweza kubeba vichwa vya vita 10? Jadili, akibainisha kuwa mafuta ya nyuklia ni sehemu tu ya wingi wa warhead.
Suluhisho
(a)\(\displaystyle 1.1×10^{25}\) fissions, 4.4 kg
(b)\(\displaystyle 3.2×10^{26}\) fusions, 2.7 kg
(c) Mafuta ya nyuklia jumla ya kilo 6 tu, hivyo ni busara kabisa kwamba baadhi ya makombora hubeba overheads 10. Masi ya mafuta ingekuwa kilo 60 tu na kwa hiyo wingi wa warheads 10, uzito juu ya mara 10 mafuta ya nyuklia, itakuwa tu 1500 lbs Kama mafuta kwa makombora ina uzito wa mara 5 jumla ya uzito wa warheads, kombora itakuwa uzito kuhusu 9000 lbs au tani 4.5. Hii sio uzito usio na maana kwa kombora.
88. Tatizo hili linatoa wazo fulani la ukubwa wa mavuno ya nishati ya bomu ndogo ya tactical. Fikiria kwamba nusu ya nishati ya chaji ya kina cha nyuklia 1.00-kt iliyowekwa chini ya carrier wa ndege inakwenda kuinua nje ya maji-yaani, katika nishati ya uwezo wa mvuto. Je, ni juu gani carrier huinuliwa ikiwa wingi wake ni tani 90,000?
89. Inakadiriwa kuwa vipimo vya silaha katika angahewa vimeweka takriban 9 MCI ya\(\displaystyle ^{90}Sr\) juu ya uso wa dunia. Kupata wingi wa kiasi hiki cha\(\displaystyle ^{90}Sr\).
Suluhisho
\(\displaystyle 7×10^4g\)
90. Bomu la 1.00-MT lililipuka kilomita chache juu ya amana za ardhi 25.0% ya nishati yake kuwa joto kali.
(a) Pata kalori kwa\(\displaystyle cm^2\) umbali wa kilomita 10.0 kwa kuchukua usambazaji sare juu ya uso wa mviringo wa radius hiyo.
(b) Ikiwa joto hili linaanguka kwenye mwili wa mtu, ni ongezeko gani la joto linalosababisha tishu zilizoathiriwa, kwa kuzingatia linafyonzwa kwenye safu ya 1.00-cm kirefu?
91. Dhana Jumuishi
Mpango mmoja wa kuweka silaha za nyuklia kwa matumizi yasiyo ya kijeshi ni kuzipuka chini ya ardhi katika kanda imara ya kijiolojia na kutoa nishati ya mvuke kwa ajili ya uzalishaji wa umeme. Kulikuwa na mavuno ya jumla ya MT 4,000 katika arsenals pamoja mwaka 2006. Ikiwa 1.00 MT kwa siku inaweza kubadilishwa kuwa umeme na ufanisi wa 10.0%:
(a) Je, wastani wa pato la umeme litakuwa nini?
(b) Arsenal ingekuwa miaka mingapi mwisho katika kiwango hiki?
Suluhisho
(a)\(\displaystyle 4.86×10^9W\)
(b) 11.0 y