Элементы физики атомного ядра Размер состав и заряд

Элементы физики атомного ядра Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов, которых называют нуклонами.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен. Через 15, 5 минут он превращается в протон.

Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А. Z – зарядовое число ядра. Число нейтронов N=A-Z изотопы протий дейтерий тритий - изобары (66. 1) Атомное ядро характеризуется зарядом Ze.

Дефект массы и энергия связи ядра Из закона сохранения энергии следует: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра. (67. 1). Удельная энергия связи (67. 2)

Энергетически выгодны реакции: 1. слияние легких ядер (термоядерная энергия), 2. Деление тяжелых ядер (атомная энергия).

Ядерные силы. Модели ядра Ядерные силы относятся к классу сильных взаимодействий. Свойства ядерных сил: 1) ядерные силы являются силами притяжения; 2) ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляются только на расстояниях примерно 10 -15 м; 3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость; 4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов; 5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов; 6) ядерные силы не являются центральными.

Ядерное взаимодействие между нуклонами осуществляется за счет обмена π-мезонами (пионами) – частицами, со спином равным нулю и массой ≈ 200 mе. Открыты в 1947 году в космическом излучении (предсказаны Юкава в 1935 году). Нуклон окружен «шубой» из π-мезонов, радиус которой равен их комптоновской длине. При сближении шубы перекрываются и нуклоны обмениваются мезонами. Современная теория считает, что фундаментальными переносчиками сильного (ядерного) взаимодействия являются глюоны, осуществляющие взаимодействие между кварками, из которых состоят все сильно взаимодействующие частицы.

Модели ядра. 1. Капельная (гидродинамическая) модель ядра (1936 г. , Н. Бор и Я. Френкель). Внутренняя часть ядра рассматривается как капля ядерной жидкости в поле которой движутся внешние нуклоны. Описывает зависимость δЕ(А, Z), деление тяжелых ядер, поверхностные колебания ядер. 2. Оболочная модель ядра (1949– 1950, М. Гепперт-Майер и Х. Иенсен). Каждый нуклон движется в самосогласованном поле, созданном другими нуклонами. Учитывается спаривание нуклонов. Позволяет получить правильные значения спинов почти всех ядер. 3. Микроскопическая модель ядра или теория конечных ферми-систем (А. Б. Мигдал). Рассматривает квантовую ферми-жидкость. Позволяет сравнить и обосновать внешне различные модели ( «модель ядерных моделей» ).

Радиоактивное излучение и его виды Самопроизвольное испускание излучения ядрами, некоторых веществ называется радиоактивным излучением или радиоактивностью. Три типа излучения: -, - и -излучение (поток ядер гелия; 0, 05 мм Al, лист бумаги; высокая ионизирующая способность). - излучение (поток электронов или позитронов; 2 -3 мм Al, ионизирующая способность в 100 раз меньше). -излучение (коротковолновое 10 -10 м электромагнитное излучение более 5 см Pb, ионизирующей способности нет).

Закон радиоактивного распада. Правило смещения - закон радиоактивного распада N 0 – начальное число ядер, N – число ядер в момент времени t Атомное ядро, испытывает радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним. Период полураспада T 1/2 – время, за которое исходное число радиоактивных ядер, в среднем, уменьшается вдвое. λ – постоянная радиоактивного распада, τ – среднее время жизни радиоактивного ядра. Т 1/2= 8 суток Т 1/2= 4, 5*109 лет

Активностью A нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца за 1 с (Беккерель). для -распада (Кюри). Правила смещения для --распада для +-распада Выполняются законы сохранения электрического заряда и массового числа.

Выполняются законы сохранения электрического заряда и массового числа.

Доза излучения и дозиметрические величины 1 Грей – доза излучения, при которой массе вещества в 1 кг передается энергия излучения в 1 Дж 1 Гр= 1 Дж/кг Экспозиционная доза излучения – энергетическая характеристика излучения, оценивается по ионизации сухого атмосферного воздуха ( в 1 кг возникает заряд 1 Кл) 1 дэ=1 Кл/кг Вне Си Рентген – в 1 см 3 сухого воздуха при 105 Па возникает заряд одного знака 1/3 н. Кл 1 Р= 258 мк. Кл/кг= 258 мк. Дэ бэр – биологический эквивалент рентгена 1 бэр = 10 -2 Зв Зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Грей

Энергия ядерной реакции если Δm в а. е. м. (Мэ. В) Экзотермическая реакция Q > 0 Эндотермическая реакция Q < 0 Энергия реакция равна приращению кинетической энергии частиц

Деление ядер (76. 1) Цепная реакция деления – ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Коэффициент размножения нейтронов k равен отношению числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. – развивающаяся реакция – самоподдерживающаяся реакция – затухающая реакция

Цепная реакция Неуправляемая (взрыв атомной бомбы) m 1+m 2 = mкритическая Чистый уран-235 mкрит= 47 кг управляемая (осуществляется в атомных реакторах) Топливо: уран -235, -233, -238, плутоний -239, торий-232 Доводят до 250 г и R=5 см (прослаивают полиэтиленом и помещают в оболочку из берилия) Реакторы – размножители

Понятие о ядерной энергетике Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления, называются ядерными реакторами. • декабрь 1942 г. – пуск первого в мире ядерного реактора в Чикагском университете под руководством Э. Ферми. • декабрь 1946 г. – пуск первого в СССР и Европе ядерного реактора в Москве под руководством И. В. Курчатова.

Ядерные реакторы различают: 1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне. В качестве делящихся и сырьевых веществ используются: в качестве замедлителя – вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий, органические жидкости; в качестве теплоносителя–воздух, вода, водяной пар, Не, СО 2 и т. д. 2) по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в активной зоне гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков); 3) по энергии нейтронов – реакторы на тепловых и быстрых нейтронах – в последних замедлитель совсем не нужен; 4) по типу режима – непрерывные и импульсные; 5) по назначению – энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов.

Среди ядерных реакторов особое место занимают энергетические реакторы-размножители. В них наряду с выработкой электроэнергии идет процесс воспроизводства ядерного горючего за счет реакций

Термоядерные реакции Реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер тяжелых. Поскольку для реакции синтеза необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией. (78. 1)

Для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры ~107 К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может проходить вследствие туннельного эффекта. 1) протонно-протонный, или водородный цикл, характерный для температур ~107 К

2) углеродно-азотный, или углеродный цикл, характерный для более высоких температур ~2· 107 К