範例3
物理 - 核反應/核能
輻射（放射性衰變）
術語“放射性核素”指的是一個不穩定的原子，會經歷放射性衰變，變成另一個新的核素。放射性衰變（放射活性）是指放射性核素的核失去能量，通過發射輻射來實現的過程。
能夠自發發射此類輻射的物質被認為是放射性的。核輻射包括α（α）粒子，β（β）粒子（高能量電子）和γ輻射。
α粒子輻射（衰變）：
粒子由2個質子和2個中子組成（帶2+電荷，質量為4 amu）。它們通常被表示為24α或24HE，因為它們與氦核相同。衰變會形成一種新元素。
例如 - 氡放射α粒子時衰變為鉛。以下是該放射性衰變的方程式：
對生物組織的影響：α粒子速度緩慢，在空氣中的射程較短，可以被一張紙張擋住。然而，它們的質量和速度使它們能夠產生大量的電離作用，與人體組織接觸時，它們比其他形式的輻射更容易造成損害。
β（β）粒子：高能量、高速運動、帶負電的電子從核中射出，以平衡質子的損失。
例如：碳-14是碳的一種放射性同位素（一個碳原子具有8個中子，而不是通常的6個）。以下是碳-14衰變成氮的β衰變方程式。
對生物組織的影響：β（β）粒子比α粒子有更長的射程和更強的穿透力。它們可以穿越皮膚屏障直接進入細胞，但它們的電離作用要弱得多，因此對組織的損害約為相同劑量的α粒子的1/20。
γ輻射：非常高頻的電磁輻射，由處於激發態的核發射出，呈電磁波形式。它沒有質量或電荷。
對生物組織的影響：γ射線在傳播過程中幾乎不會失去能量，因為它們與通過的物質互動程度不同。γ射線具有很強的穿透力和非常長的射程。它們可以與體內的細胞互動，使其失去功能，並可能導致DNA突變和功能障礙。
半衰期
放射性同位素的活性隨時間呈指數方式減少。在一段特定的時間後，尚未衰變的數量減半。這種活動減半所需的時間被稱為“半衰期” - 原材料的一半將在此時已經衰變。
計算鈾-238的半衰期
示例計算 T½ = (原子數) (ln(e)衰變常數)
衰變速率有所不同，可以根據以下表達式進行數學預測：
Nt = N0 * e-kt
Nt = 原子數
T = 時間
N0 = t0時的原子數
K = 衰變常數（已提供）
代入鈾-238的數據，得出半衰期為45億年（4,500,000,000年）
相比之下：
釷-212的半衰期僅為3 x 10-7秒（0.000 000 3秒）。
所以現在存在的鈾-238中有一半將在太陽毀滅時仍然存在！
核能發電與永續性
“核能被認為是一種用於能源生產的無碳技術。每千瓦小時的CO2排放量約為5-7克，而煤炭為900克。所產生的廢物可以有效地儲存，地方外洩很少，全球影響有限。相反，其他人認為核電站是等待發生事故的地方 - 如果不是在不久的將來，那麼肯定在非常遙遠的未來某個時候。”（Rowe，2017，第34-41頁）。
學生活動：根據上述陳述，考慮以下計算結果並提出您的評估意見。
科學問題 什麼是濃縮？
科學問題
武器級濃縮鈾-235包括用於核反應堆的鈾同位素豐度的0.72％，用作燃料和核武器的濃縮。計算此元素的半衰期。（答案：7.04億年！）
科學問題
鈾-239在核能發電廠的反應堆中可以更容易地進行濃縮。計算此放射性核素的半衰期。
（答案：24,110年。）
作者諮詢注意事項
以下練習採用STSE情境，為辯論和評估核能可行性提供平台。這些文章來自不同的文化背景（美國和印度）。其他國家和地區，如切爾諾貝利和福島，可以選擇討論核災的相關文化問題。或者，可以找到歐洲的例子來討論核能作為法國主要提供者或在德國停用的情況。
