5-4 核能與輻射安全
5.4.1 質能互換
愛因斯坦的質能互換公式
公式： E = m × c²
- E：能量（焦耳，J）
- m：質量（公斤，kg）
- c：光速（約為 3 × 10⁸ m/s）
這個公式表示質量和能量可以互相轉換，質量是一種能量的形式。在核反應中，微小的質量損失可以轉換成巨大的能量。
問題 1：
如果一個物體的質量減少了 0.001 kg，根據 E = mc²，釋放出的能量是多少焦耳？（取 c = 3 × 10⁸ m/s）
解題策略：
將 m = 0.001 kg 和 c = 3 × 10⁸ m/s 代入公式 E = mc²，進行計算。
問題 2：
說明質能互換在核反應中的重要性。
解題策略：
回想核反應如何利用質量和能量的轉換來釋放能量。
問題 3：
為什麼微小的質量損失能產生巨大的能量？
解題策略：
思考公式 E = mc² 中，c² 的數值對能量計算的影響。
5.4.2 核分裂
定義
核分裂是指一個重原子核（例如鈾-235）在吸收一個中子後，分裂成兩個或多個較輕的原子核，同時釋放出 2~3 個中子和巨大的能量。
核分裂反應方程式
示例反應式：
n + 235U → 236U → 92Kr + 141Ba + 3n + 能量
在上述反應中：
- 235U 表示鈾-235，同位素質量數為 235。
- n 表示中子。
- 反應產生了 92Kr（氪-92）、141Ba（鋇-141）和 3 個中子。
質量數和原子序守恆
在核反應中，反應前後的質量數（上標）和原子序（下標）總和是守恆的。
以上述反應為例：
- 質量數守恆：1 + 235 = 236 → 92 + 141 + 3 × 1 = 236
- 原子序守恆：0 + 92 = 92 → 36 + 56 + 3 × 0 = 92
連鎖反應
釋放出的中子可以繼續撞擊其他鈾-235 原子核，引發更多的核分裂，形成連鎖反應。如果不加以控制，連鎖反應會越來越劇烈。
應用與缺點
- 應用：核能發電、核武器。
- 缺點：產生具有放射性的核廢料，需要長期妥善處理。
問題 4：
在核分裂反應中，質量數和原子序如何守恆？請舉例說明。
解題策略：
參考核分裂反應方程式，計算反應物和生成物的質量數和原子序。
問題 5：
核分裂釋放出多少個中子？這些中子有何作用？
解題策略：
回想核分裂反應中中子的數量和它們在連鎖反應中的角色。
問題 6：
請配平以下核反應方程式，使其質量數和原子序守恆：
n + 235U → 94Sr + _____ + 2n
解題策略：
計算缺少的質量數和原子序，找到相應的元素。
5.4.3 核融合
定義
核融合是指兩個或多個輕原子核（如氫的同位素）在極高溫高壓下結合成一個較重的原子核，並釋放出巨大的能量。
太陽的能量來源
太陽的能量主要來自核融合反應，氫原子核融合成氦原子核，釋放出光和熱。
優點與挑戰
- 優點：燃料豐富（氫可從海水中獲取）、產生的放射性廢料少、安全性高。
- 挑戰：需要極高的溫度和壓力，目前技術尚未成熟，難以大規模應用於發電。
問題 7：
為什麼核融合被認為是未來理想的能源？
解題策略：
思考核融合的優點對能源需求和環境的影響。
問題 8：
核融合反應需要什麼條件才能發生？
解題策略：
考慮原子核之間的作用力和需要克服的障礙。
問題 9：
太陽能量的來源是核融合還是核分裂？請解釋。
解題策略：
回想太陽內部的核反應類型和過程。
5.4.4 輻射
核反應產物與輻射線種類
核反應會產生具有放射性的物質，這些物質釋放出輻射線，包括：
- α 射線：氦原子核，帶正電，穿透力最弱。
- β 射線：高速電子，帶負電，穿透力中等。
- γ 射線：高能電磁波，無電荷，穿透力最強。
- 中子輻射：中子流，無電荷，穿透力極強。
穿透力與屏蔽
- α 射線：可被紙張或皮膚阻擋。
- β 射線：需要金屬板（如鋁板）進行屏蔽。
- γ 射線：需要厚重的鉛板或混凝土屏蔽。
- 中子輻射：需要富含氫的材料（如水、混凝土）屏蔽。
輻射對生物的影響
輻射線會破壞生物體內的細胞和 DNA，導致輻射疾病，嚴重時可致癌或致命。因此，防護輻射非常重要。
問題 10：
哪種輻射線的穿透力最強，如何有效屏蔽？
解題策略：
比較各種輻射線的穿透力和屏蔽方法。
問題 11：
為什麼中子輻射需要使用富含氫的物質來屏蔽？
解題策略：
考慮中子與輕原子核之間的交互作用。
問題 12：
輻射對生物體有何危害？
解題策略：
思考輻射對生物組織和遺傳物質的影響。
5.4.5 核能發電安全
核電廠的結構與功能
- 反應爐：進行核分裂反應，產生熱能。
- 發電機組：利用熱能產生蒸汽，推動渦輪機發電。
- 冷卻系統：帶走反應爐的熱量，防止過熱。
使用低濃度鈾-235確保安全
核電廠中使用低濃度（約 3%）的鈾-235 作為燃料，這樣可以防止核反應過於劇烈，確保反應可控，增強安全性。
安全裝置
- 控制棒：吸收中子，控制核反應速率。
- 安全殼：防止輻射物質外洩的結構。
- 應急系統：在緊急情況下自動停堆和冷卻。
安全問題與對策
- 核電廠事故可能導致輻射外洩，需嚴格管理和監控。
- 核廢料需要長期安全的處理和儲存方式。
- 加強設備維護、人員培訓和緊急應變措施，確保核電廠安全運行。
福島核災的教訓
2011 年日本福島核電廠因地震和海嘯導致冷卻系統失效，造成爐心熔毀和輻射外洩，提醒我們核能發電的安全性至關重要。
問題 13：
為什麼使用低濃度的鈾-235 燃料可以提高核電廠的安全性？
解題策略：
考慮燃料濃度對核反應速率和可控性的影響。
問題 14：
福島核電廠事故的主要原因是什麼？
解題策略：
回顧福島核災的事件經過和關鍵問題。
問題 15：
為了確保核電廠的安全運作，需要採取哪些措施？
解題策略：
考慮核電廠運營中的各個環節及可能的風險控制。