Fizik notesnota, bab 6

Fizik Nuklear

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Fizik Tingkatan 5 Kurikulum Standard Sekolah Menengah (KSSM), pageshalaman 198–221

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menerangkan reputan radioaktif sebagai proses rawak dan spontan, dan menulis persamaan bagi reputan alfa, beta dan gama (6.1.1)
Saya boleh menerangkan separuh hayat dan siri reputan uranium-238, serta kegunaannya untuk menganggarkan usia batu-batuan dan Bumi (6.1.2)
Saya boleh menentukan separuh hayat daripada graf lengkung reputan (6.1.3)
Saya boleh menyelesaikan masalah separuh hayat menggunakan N = (1/2)^n N₀ (6.1.4)
Saya boleh membezakan pembelahan nukleus dengan pelakuran nukleus (6.2.1)
Saya boleh menerangkan cacat jisim dan hubungannya dengan tenaga nuklear, E = mc² (6.2.2)
Saya boleh menghitung tenaga nuklear yang dibebaskan semasa reputan radioaktif dan tindak balas nuklear (6.2.3)
Saya boleh menerangkan penjanaan tenaga elektrik dalam reaktor nuklear, tindak balas berantai dan kawalan kadar tindak balas (6.2.4)
Saya boleh membincangkan penggunaan tenaga nuklear sebagai tenaga alternatif untuk menjana tenaga elektrik (6.2.5)

6.1Reputan radioaktif

Reputan radioaktif ialah proses nukleus yang tidak stabil menjadi nukleus yang stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif. Proses ini berlaku secara rawak (kita tidak dapat meramal nukleus yang mana akan mereput seterusnya) dan spontan (tidak dipengaruhi oleh suhu, tekanan dan faktor fizikal yang lain).

Terdapat tiga jenis sinaran radioaktif: zarah alfa (α), zarah beta (β) dan sinar gama (γ). Dalam persamaan reputan, jumlah nombor nukleon, A (atas) dan jumlah nombor proton, Z (bawah) di sebelah kiri mestilah sama dengan jumlah di sebelah kanan. Nukleus yang mereput dipanggil nukleus induk dan nukleus yang terhasil ialah nukleus anak.

Reputan	Apa yang dipancarkan	Persamaan am	Contoh
Alfa (α)	Nukleus helium: dua proton dan dua neutron	ᴬ_ZX → ᴬ⁻⁴_Z−2Y + ⁴₂He	²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He
Beta (β)	Elektron yang bergerak pantas. Sebiji neutron terurai kepada satu proton dan satu elektron: ¹₀n → ¹₁p + ⁰₋₁e	ᴬ_ZX → ᴬ_Z+1Y + ⁰₋₁e	²⁴₁₁Na → ²⁴₁₂Mg + ⁰₋₁e
Gama (γ)	Sinaran elektromagnet berfrekuensi tinggi, tidak berjisim dan neutral. Nukleus yang teruja membebaskan tenaga lebihannya	ᴬ_ZX → ᴬ_ZX + γ	⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₇Co + γ

Dalam reputan β, nombor nukleon tidak berubah tetapi nombor proton bertambah 1. Dalam reputan γ, nombor proton dan nombor nukleon tidak berubah; hanya tenaga nukleus yang berkurang.

Sebahagian nukleus memancarkan lebih daripada satu sinaran. Contohnya, uranium-234 memancarkan zarah α dan sinar γ: ²³⁴₉₂U → ²³⁰₉₀Th + ⁴₂He + γ.

Contoh

Nukleus ²³⁸₉₂U mereput dengan memancarkan zarah alfa. Tentukan nukleus anak.

Nombor nukleon = 238 − 4 = 234 dan nombor proton = 92 − 2 = 90. Nukleus anak ialah ²³⁴₉₀Th.

Separuh hayat dan siri reputan

Separuh hayat, T_½ ialah masa yang diambil untuk separuh daripada bilangan asal nukleus radioaktif bagi suatu sampel radioaktif mereput.

Keaktifan sampel radioaktif ialah bilangan reputan per saat (bilangan zarah radioaktif yang dipancarkan sesaat). Keaktifan berkadar terus dengan bilangan nukleus radioaktif yang belum mereput, maka keaktifan juga menjadi separuh setiap separuh hayat. Semakin singkat separuh hayat, semakin tinggi kadar reputan dan semakin curam graf lengkung reputan.

Graf lengkung reputan: pecahan nukleus yang belum mereput menjadi 0.5, 0.25 dan 0.125 selepas 1, 2 dan 3 separuh hayat — Graf lengkung reputan. Setiap kali masa bertambah satu separuh hayat, N menjadi separuh. Lengkung ini tidak pernah mencapai sifar.

Bilangan nukleus yang belum mereput selepas n separuh hayat: N = (½)ⁿ N₀, dengan n = t ÷ T_½. Rumus yang sama digunakan bagi keaktifan: A = (½)ⁿ A₀.

Bilangan separuh hayat	0	1	2	3	4	5
Pecahan belum reput	1	½	¼	⅛	1/16	1/32
Pecahan telah reput	0	½	¾	⅞	15/16	31/32

Untuk menentukan separuh hayat daripada graf, pilih satu nilai N (atau keaktifan), cari masa apabila nilai itu menjadi separuh, dan tolak masa permulaan. Semak dengan satu lagi separuh: masa yang diperlukan mestilah sama. Dalam Aktiviti 6.3, dadu yang menunjukkan nombor 3 mewakili nukleus yang telah mereput dan dadu yang tinggal mewakili nukleus yang belum mereput.

Contoh

Suatu sampel mempunyai keaktifan awal 480 s⁻¹ dan separuh hayat 6 minit. Berapakah keaktifannya selepas 30 minit?

n = 30 ÷ 6 = 5. A = (½)⁵ × 480 = 480 ÷ 32 = 15 s⁻¹.

Contoh

Suatu bahan radioaktif mempunyai separuh hayat 10 hari. Berapa hari diambil untuk keaktifannya tinggal 25%?

100% → 50% → 25% ialah dua separuh hayat. Masa = 2 × 10 = 20 hari.

Contoh

Keaktifan sampel direkod pada 10 Januari ialah 1 520 s⁻¹, pada 20 Januari 380 s⁻¹ dan pada 30 Januari 95 s⁻¹. Tentukan separuh hayat.

1 520 → 380 ialah faktor ¼ = (½)², iaitu dua separuh hayat dalam 10 hari. Maka T_½ = 10 ÷ 2 = 5 hari. Selang 20 Januari ke 30 Januari memberi 380 → 95, faktor ¼ juga.

Nukleus anak yang terbentuk mungkin juga tidak stabil. Nukleus baharu itu mengalami satu siri reputan berterusan sehingga nukleus yang stabil terbentuk. Dalam siri reputan uranium-238, hasil akhirnya ialah plumbum-206 yang stabil.

Siri reputan uranium-238 daripada uranium-238 hingga plumbum-206 dengan sinaran dan separuh hayat bagi setiap langkah — Siri reputan uranium-238. Anak panah menunjukkan sinaran yang dipancarkan dan separuh hayat setiap langkah.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 6.5, m.s. 202.

Daripada ²³⁸₉₂U kepada ²⁰⁶₈₂Pb, nombor nukleon berkurang 238 − 206 = 32, maka (32 ÷ 4) = 8 zarah α dipancarkan. 8 zarah α mengurangkan nombor proton sebanyak 16 kepada 76. Plumbum mempunyai 82 proton, jadi 6 zarah β dipancarkan (82 − 76 = 6).

Menentukan usia batu-batuan dan Bumi

Uranium-238 mempunyai separuh hayat yang amat panjang, kira-kira 4.5 × 10⁹ tahun (kira-kira 5 000 juta tahun). Unsur ini terperangkap semasa pembentukan batu-batuan. Uranium-238 akhirnya membentuk plumbum-206 yang stabil. Dengan menentukan nisbah plumbum-206 kepada uranium-238 dalam suatu sampel batu, usia batu dapat dianggarkan: semakin tinggi nisbah itu, semakin berusia batu-batuan. Kaedah yang sama digunakan oleh ahli geologi untuk menganggarkan usia Bumi.

Contoh

Nisbah bilangan nukleus argon-40 kepada kalium-40 dalam batu gunung berapi ialah 3 : 1. Tiada argon pada awalnya. Separuh hayat kalium-40 ialah 1 250 juta tahun. Anggarkan usia batu itu.

Selepas satu separuh hayat, kalium-40 tinggal ½N₀ dan argon-40 ialah ½N₀, nisbah 1 : 1. Selepas dua separuh hayat, kalium-40 tinggal ¼N₀ dan argon-40 ialah ¾N₀, nisbah 3 : 1. Usia = 2 × 1 250 = 2 500 juta tahun.

Nisbah uranium-238 kepada plumbum-206 yang lebih kecil bermaksud lebih banyak plumbum, iaitu batu yang lebih tua. Baca nisbah itu dengan teliti: nisbah 5 : 1 menunjukkan batu yang lebih tua daripada nisbah 7 : 1.

(a) Lengkapkan: ²²⁸₈₈Ra → A + ⁰₋₁e. (b) Suatu sumber radioaktif mempunyai separuh hayat 5 hari. Apakah pecahan yang tinggal selepas 15 hari? (c) Berapakah zarah α dan β yang dipancarkan apabila ²²²₈₆Rn mereput menjadi ²¹⁰₈₂Pb?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(a) A mempunyai nombor nukleon 228 dan nombor proton 89: ²²⁸₈₉Ac. (b) 15 ÷ 5 = 3 separuh hayat, maka (½)³ = ⅛ tinggal. (c) Nombor nukleon berkurang 12, maka 3 zarah α. Nombor proton jatuh 6 kepada 80; plumbum ialah 82, maka 2 zarah β.

6.2Tenaga nuklear

Tenaga nuklear ialah tenaga atom yang dibebaskan semasa tindak balas nuklear seperti reputan radioaktif, pembelahan nukleus dan pelakuran nukleus.

Pembelahan nukleus

Tindak balas nuklear apabila satu nukleus yang berat membelah menjadi dua atau lebih nukleus yang lebih ringan dengan membebaskan tenaga yang banyak.

²³⁵₉₂U + ¹₀n → ²³⁶₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n + tenaga

Pelakuran nukleus

Tindak balas nuklear apabila nukleus yang kecil dan ringan bercantum untuk membentuk satu nukleus yang berat dengan membebaskan tenaga yang banyak. Ia berlaku pada suhu dan tekanan yang amat tinggi, seperti dalam teras Matahari.

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + tenaga

Cacat jisim dan E = mc²

Unit jisim atom (u.j.a) digunakan untuk mengukur jisim atom. 1 u.j.a ialah 1/12 daripada jisim satu atom karbon-12, dan 1 u.j.a = 1.66 × 10⁻²⁷ kg. Jumlah jisim selepas reputan atau tindak balas nuklear sentiasa kurang daripada jumlah jisim sebelumnya.

Cacat jisim, m ialah kehilangan jisim dalam tindak balas nuklear: jumlah jisim sebelum tindak balas tolak jumlah jisim selepas tindak balas. Tenaga yang dibebaskan ialah E = mc², dengan m dalam kg dan c = 3.00 × 10⁸ m s⁻¹ (laju cahaya dalam vakum).

Pembelahan uranium-235 oleh satu neutron menghasilkan kripton-92, barium-141 dan tiga neutron dengan jumlah jisim sebelum dan selepas tindak balas — Cacat jisim dalam pembelahan nukleus uranium-235: 236.05259 − 235.86653 = 0.18606 u.j.a.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 6.11, m.s. 211.

Tenaga nuklear juga dinyatakan dalam unit megaelektronvolt: 1 MeV = 1.6 × 10⁻¹³ J.

Contoh

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He. Jisim Ra-226 = 226.54 u.j.a, Rn-222 = 222.018 u.j.a dan He-4 = 4.003 u.j.a. Hitung tenaga yang dibebaskan.

m = 226.54 − (222.018 + 4.003) = 0.519 u.j.a = 0.519 × 1.66 × 10⁻²⁷ = 8.6154 × 10⁻²⁸ kg.

E = mc² = 8.6154 × 10⁻²⁸ × (3.00 × 10⁸)² = 7.75 × 10⁻¹¹ J.

Contoh

Pelakuran ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + tenaga. Jisim ²H = 2.014, ³H = 3.016, ⁴He = 4.003 dan ¹n = 1.009 u.j.a.

m = (2.014 + 3.016) − (4.003 + 1.009) = 5.030 − 5.012 = 0.018 u.j.a = 0.018 × 1.66 × 10⁻²⁷ = 2.988 × 10⁻²⁹ kg.

E = 2.988 × 10⁻²⁹ × (3.0 × 10⁸)² = 2.69 × 10⁻¹² J.

Tukar cacat jisim daripada u.j.a kepada kg sebelum menggunakan E = mc². Jawapan akan dalam joule. Untuk menukar kepada MeV, bahagikan dengan 1.6 × 10⁻¹³.

Penjanaan tenaga elektrik dalam reaktor nuklear

Dalam reaktor nuklear, tindak balas pembelahan nukleus uranium-235 menghasilkan dua nukleus anak, tiga neutron yang bergerak pantas dan tenaga yang besar. Neutron-neutron ini membelah nukleus uranium-235 yang lain dan membebaskan lebih banyak neutron serta tenaga secara berterusan. Tindak balas ini dikenali sebagai tindak balas berantai.

Struktur reaktor nuklear dan stesen jana kuasa: reaktor, penjana stim, turbin, penjana, kondenser dan menara penyejuk — Struktur reaktor nuklear dan proses penjanaan tenaga elektrik di stesen jana kuasa nuklear.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 (KSSM), Rajah 6.12, m.s. 214.

Pembelahan nukleus uranium-235 dan tindak balas berantai menghasilkan tenaga haba.
Air dipam ke dalam teras reaktor untuk menyerap tenaga haba.
Pendidihan air menghasilkan stim bertekanan tinggi yang disalurkan ke turbin.
Turbin diputarkan oleh stim dan memutarkan magnet atau gegelung dalam penjana. Stim terkondensasi menjadi air.
Tenaga elektrik yang dijana dihantar melalui sistem penghantaran bekalan kuasa kepada pengguna.

Perubahan tenaga: tenaga nuklear → tenaga haba → tenaga kinetik (turbin) → tenaga elektrik (penjana).

Bahagian	Fungsi
Rod uranium	Bahan api untuk menghasilkan tenaga nuklear melalui pembelahan nukleus
Rod pengawal (boron atau kadmium)	Menyerap neutron yang berlebihan untuk mengawal kadar tindak balas
Moderator (grafit atau air)	Memperlahankan neutron yang bergerak pantas supaya pembelahan nukleus boleh berlaku
Air sebagai agen penyejuk	Menyerap tenaga haba untuk penghasilan stim dan mengawal suhu reaktor
Dinding konkrit tebal	Menghalang sinaran radioaktif terlepas ke persekitaran

Tenaga nuklear sebagai tenaga alternatif

Di Malaysia, tenaga elektrik dijana menggunakan arang batu, gas asli dan air, dan tidak ada loji kuasa nuklear. Reaktor TRIGA PUSPATI di Bangi dibina untuk penyelidikan dan pendidikan. Negara seperti Amerika Syarikat, Jepun, Perancis, India dan China menggunakan tenaga nuklear untuk menjana tenaga elektrik.

Kelebihan	Kelemahan dan isu
Sejumlah kecil bahan api menghasilkan tenaga yang besar	Kos pembinaan, operasi dan penyelenggaraan yang tinggi
Jejak karbon sifar dan kesan minimum kepada ekosistem jika dikawal dengan rapi	Pengurusan sisa radioaktif yang rumit dan risiko pencemaran alam sekitar
Mengurangkan kebergantungan kepada petroleum dan arang batu	Isu keselamatan dan kesihatan, serta teknologi dan kepakaran yang tinggi

Dalam jawapan bagi soalan perbincangan, pertimbangkan kos, lokasi, kesan kepada ekosistem dan jejak karbon, keselamatan dan kesihatan, teknologi dan kepakaran, serta pengurusan sisa. Beri justifikasi bagi setiap cadangan.

(a) Suatu tindak balas pelakuran mempunyai cacat jisim 0.019 u.j.a. Hitung tenaga yang dibebaskan dalam joule. (b) Nyatakan fungsi moderator dalam reaktor nuklear.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(a) m = 0.019 × 1.66 × 10⁻²⁷ = 3.154 × 10⁻²⁹ kg. E = 3.154 × 10⁻²⁹ × (3.00 × 10⁸)² = 2.84 × 10⁻¹² J. (b) Memperlahankan neutron yang bergerak pantas supaya pembelahan nukleus boleh berlaku.