Час) Состав ядра атома. Взаимодействие нуклонов в ядре. Ядерные силы и модели атомного ядра.

  Состав ядра атома. Протонно – нейтронная модель ядра.

    M – масса ядра, массовое число

       Z – число протонов; N – число нейтронов;

    M = Z + N; протоны и нейтроны называются нуклонами. Протон имеет положительный заряд, нейтрон – нейтральный.

    Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и ее положительный заряд. Для легких ядер ≈ 1, для ядер расположенных в конце таблицы Менделеева ≈1,6. Ядра с одинаковым Z, но различным М называются изотопами. Ядро химического элемента Х обозначается Х.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественно и искусственно полученных изотопов. Размер ядра характеризуется радиусом ядра.     R = R  M  ; R  = 1,5 · 10 м. Плотность ядерного вещества по порядку величины 10 кг/м  и постоянная для всех ядер.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии вытекает, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. При образовании ядра происходит уменьшение его массы:

 

МэВ

     Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:  = ;

    При делении тяжелых ядер и синтезе легких ядер выделяется энергия.

В ядрах действуют ядерные силы, не сводящихся ни к одному из типов сил, известных из классической физики (гравитационных или электромагнитных).

   Ядерные силы  являются короткодействующими и проявляются на расстоянии ~ 10 м.

   В настоящее время принята жидко-капельная модель ядра, она объясняется делением ядра урана:

6.2 (1-2часа) Естественная и искусственная радиоактивность. Ядерные реакции, деление ядер. Цепные реакции. Использование ядерной энергии.

Радиоактивностью  называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радио- активностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радио- активностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Виды распадов: α – распад ( Не) – ядра атома гелия,

                       β – распад ( β; β) - поток позитронов и электронов,

γ – излучение - поток коротковолнового электромагнитного излучения.

                   

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским;       возникающее ядро – дочерним. Оно, как правило, находится в возбужденном состоянии и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γ – фотона.

  Закон радиоактивного распада N = N e  ,   N , N  - число ядер (соответственно) в начальный момент и в момент t,   λ – постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра в 1 секунду. Средняя продолжительность τ жизни всех первоначально существующих ядер  τ = . Характеристикой устойчивости ядер является период полураспада Т:            Т  =  =  = 0,693 τ, тогда N = N e .

Естественная радиоактивность наблюдается у ядер атомов, расположенных за свинцом. При распаде выполняется закон сохранения массового числа и заряда.

 

Правила смещения.

Х → Y + He - при α – распаде, элемент смещается на 2 клетки влево, поток ядер гелия.

 

Х → Y + β - при β – распаде, элемент смещается на 1 клетку вправо, поток электронов.

 

Х → Х + γ - при γ – распаде, элемент остается на том же месте, – поток

γ – квантов.

 

Ядерные реакции проводят с помощью ускорения заряженных частиц: протонов, α – частиц, β – частиц, и т.д.

 Пример: Li + H → He + He. –   на протонах.

Энергетический выход ядерных реакций – изменение энергии до взаимодействия и после взаимодействия. Это изменение энергии связи, обусловленное изменением массы покоя взаимодействующих ядер.

 

Реакция на нейтронах: Al + n → Na + He

 

Деление ядер урана: обнаружено в 1938 году О.Ганном и Ф. Штрассманом.

Управляемая ядерная реакция:

 

 

При делении ядра урана выделяется энергия 1МэВ на нуклон. Природные изотопы урана: U – 99,3% - не участвует в цепных ядерных реакциях, U – 0,7% - участвует в цепных ядерных реакциях. Но U путем захвата быстрого нейтрона в зоне цепной ядерной реакции путем двойного β распада превращается в плутоний, который участвует в цепных ядерных реакциях: U + n → U → Np; далее: Np → Рu.

Коэффициент воспроизводства ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах составляет 1,5, на медленных нейтронах - 0,7.

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества при которой может протекать цепная ядерная реакция. При малых размерах ядерного вещества слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора. Увеличивая размеры системы, можно достичь значения коэффициента размножения  k ≥ 1.Для чистого (без замедлителя) урана U, имеющего форму шара критическая масса составляет 50 кг. При этом радиус шара составляет 9 см (ρ урана высокая). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, критическую массу можно снизить до 250 г.

Управление реактором осуществляется при помощи регулирующих стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых стержнях k > 1, при полностью вдвинутых k < 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны,

можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. В ядерных реакторах имеются:

1) ядерное горючее – в ТВЭлах,

2) замедлитель (тяжелая или обычная вода, графит),

3) регулирующие стержни,

4) защита от радиации(бетон, железо, свинец),

5) отражатель нейтронов(бериллий).

Первый реактор был изготовлен в США в 1942г. под руководством  Э.Ферми. В Европе – в Советском Союзе – в 1946г. коллективом физиков под руководством И.В. Курчатова.

 

Термоядерная реакция – реакция слияния легких ядер, при которой выделяется большое количество энергии, которое составляет 3,5МэВ/нуклон. Для слияния необходимо, чтобы расстояние между атомами было 10 см. тому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергии, или иными словами – при высокой температуре, которая составляет сотни миллионов градусов: Н + Н → Не + n (+17,6 МэВ). Экологически выгодна управляемая термоядерная реакция. Высокая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму. В настоящее время создается такая экспериментальная установка (токамак) во Франции с участием передовых европейских стран, США, Японии и России. В стакане воды находится столько дейтерия, что его энергии достаточно для обеспечения электроэнергией втечение 6 часов такого микрорайона в г. Волжске,  как   «Машиностроитель».

    Реакции термоядерного синтеза протекают внутри Солнца, обеспечивая излучение им большого количества энергии. Термоядерные реакции на солнце могут протекать в форме термоядерных циклов. Наиболее эффективным по выделяемой энергии считается протон – протонный цикл.

  Условия, близкие к тем, какие реализуются в недрах солнца, были осуществлены в водородной бомбе, где происходит самопод-держивающаяся термоядерная реакция взрывного характера в смеси дейтерия и трития типа: D+ Н → Не + n. Высокая температура, необходимая для протекания термоядерной реакции, была получена за счет взрыва «обычной» атомной бомбы, действующей на принципе быстрой цепной реакции деления тяжелых ядер.

    Использование ядерной энергии: мирное – АЭС, атомные ледоколы; военное – ядерное и термоядерное оружие, подводные лодки.

    Получение радиоактивных изотопов: - в атомных реакторах и на ускорителях электронных частиц.

    Использование   радиоактивных изотопов. В медицине – иссле-дование обмена веществ, постановка диагноза, для терапевтических целей, лечение раковых заболеваний. В промышленности – контроль износа деталей, диффузия в металлах, исследование внутренней структуры изделий для обнаружения дефектов. В сельском хозяйстве – облучение  γ – лучами семян для увеличения урожайности, вызова мутаций и последующей селекции, борьба с вредными насекомыми, использование меченых атомов в агротехнике для выяснения усвоения удобрений растениями. В археологии – возраст земных пород, древних предметов по изотопу ¹⁴С с  Т = 5700 лет.

     Биологическое действие радиоактивных излучений.

Доза излучения: характеризуется поглощенной дозой излучения: D= , единица измерения «грей» (Гр). 1Гр = 1 .   Смертельная доза для человека 3 – 10 Гр. 1Гр ≈100 рентген (Р).

Для защиты от радиации используют чугун, сталь, свинец, кирпич,   свинцовое стекло и т.д. 

Лекция 14.

Элементарные частицы