Вещество Энергия Структура и превращения Часть II Атомные

Вещество Энергия Структура и превращения Часть II Атомные реакции и антиматерия

События в жизни атома Связь Ядерные превращения Можно связаться с другими атомами в молекулы. При этом можно отдавать, объединять или забирать себе электроны Можно изменить число нуклонов в ядре и стать другим атомом. Изменения, когда атомы остаются собой, а вот молекулы на их основе собираются разные называют химическими реакциями. Изменения, когда атомы перестают быть собой (обычно). Иногда просто сбрасывают энергию. Называют это распадом. Аннигиляция Можно встретить античастицу и перевести всю свою массу в энергию БАБАХ Серьезно, ну что тут еще скажешь.

Антиматерия • Частицу, имеющую такую же массу, но противоположный обычной частице заряд называют античастицей. • Античастицы в стабильной форме во вселенной не обнаружены (пока? ) • При столкновении обычной и античастицы вся их масса должна переходить в энергию. • Существуют: антипротон, антинейтрон и позитрон (антиэлектрон) • Позитроны не особо редки, их дорого но нетрудно получить, их используют в некоторых медицинских приборах (ПЭТ сканеры)

Антиматерия • E = mc 2 • Именно по этой формуле Эйнштейна можно приблизительно посчитать энергию, которая получится при полном переходе массы в, собственно, энергию. • Массивные античастицы сами не образуются. Их можно только создать в лабораторных условиях. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато изучение его свойств.

Антиматерия При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частицантичастиц. При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1, 8· 1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 43 мегатонн тротила. Термоядерный взрыв Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» : масса 26, 5 т, при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~58 мегатоннам.

Ядерные превращения • Вообще-то большинство атомов вокруг нас находится в стабильном состоянии. Их энергия минимальна и ничего в себе менять они не хотят. • Однако, есть ИЗОТОПЫ с нестабильной конфигурацией ядер. • Они «хотят» что-то в себе изменить и делают это. • Ядерные превращения – процесс вероятностный. Нельзя узнать, когда распадется тот или иной атом.

Время полужизни (half life) • Никто не знает, когда распадется ОДИН атом. Конкретный. • Зато все знают, когда распадется ПОЛОВИНА всех атомов в данном «куске» вещества. • Это время то и называют временем полужизни.

Ядерные превращения (lite) Альфа • Ядро атома испускает ядро гелия • Теряем 2 протона и 2 нейтрона • Не теряем электроны • Атом «отступает» на 2 шага назад по таблице Менделеева Бета Гамма • Один из нуклонов ядра становится другим нуклоном • Никаких изменений в ядре. • Или + протон/ - нейтрон • Или - протон/ + нейтрон • Обычно происходит после другого распада. • Атом шагает вперед или назад на 1 позицию по таблице Менделеева • Выделяется энергия в виде жесткого излучения.

• Альфа-радиоактивные ядра в таблице нуклидов появляются начиная с атомного номера 52 (теллур) и массового числа около 110. • Однако время жизни большинства альфаактивных ядер существенно превышает время существования Вселенной. • Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован. • Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с) до 23700 км/с

Бета частица – это электрон или позитрон (античастица) Механизм такой: v Бета+ один протон становится нейтроном испуская позитрон. v Бета- один нейтрон становится протоном испуская электрон. • Скорость вылета бета-частицы равна скорости света 300 000 км/с • Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за 4, 5 млрд лет ее истории. • Например, Kалий-40, который испытывает все типы бета-распада имеет период полураспада 1, 277· 109 лет.

Позитронно-эмиссионная томография Это очень крутой вид медицинского исследования Позволяет увидеть не просто органы (как при КТ или МРТ), а движение и превращение веществ внутри организма. Используемые вещества: • углерод-11 (T½= 20, 4 мин. ) • азот-13 (T½=9, 96 мин. ) • кислород-15 (T½=2, 03 мин. ) • фтор-18 (T½=109, 8 мин. )

Позитронно-эмиссионная томография Слева – здоровый мозг Справа – болезнь Альцгеймера Посередине – очевидно ранняя стадия Альцгеймера. Без симптомов. Можно искать раковые клетки (если начать лечить прямо сейчас – хороший прогноз)

• Можно получить при аннигиляции пары электрон -позитрон. • Можно получить при переходе атома из возбужденного состояния. • Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями. (гамма кванты) • Очень большая проникающая способность. • Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. • Близки к рентгеновскому излучению (но обладают большей энергией)

Проникающая способность • Альфа частицы опасны для человека, только если их источник внутри тела. • Бета частицы снаружи тела слабо опасны, если только их источник не очень интенсивен. • Источник Бета-частиц внутри тела опасен! • Гамма лучи опасны!

Ядерные превращения (extreme) Деление Синтез • Тяжелые ядра распадаются на 2 -3 легких • Легкие ядра объединяются в одно более тяжелое • На выходе много радиоактивных изотопов • На выходе ничего безумно радиоактивного • Еще выделяется много энергии в виде тепла • Используют в атомной бомбе и атомной электростанции. • Выделяется чертова туча энергии в виде тепла и света. • Используют в термоядерной бомбе. • Электростанцию потом тоже сделают. Пока только бомба.

Деление ядер • Распадаются тяжелые ядра, причем далеко не все. • При распаде образуются более легкие ядра. • Одновременно вылетают свободные нейтроны • Свободные нейтроны инициируют распад в других ядрах, если в них попадают. • Свободные нейтроны можно задерживать водой или графитом.

Деление ядер – цепная реакция • Если достигнута критическая масса – то реакция деления пойдет с нарастающей скоростью. • В какой то момент это перерастет во взрывную реакцию с выделением огромного количества энергии. • Этот эффект использует ядерная бомба (не путать с термоядерной) • В реакторе ядерной электростанции скорость деления ядер контролируется и взрыва не происходит.

Синтез ядер • Сливаются легкие ядра • Вообще то нужна огромная температура. Как на Солнце. Ой, это же и происходит на Солнце! • Но если процесс пошел, выделяется огромное количество энергии. • Вот бы такую электростанцию! Энергия почти задаром! • Проблема в том, что температура в реакторе будет…ну как на Солнце и будет. • 2 миллиона градусов. И в чем же можно удержать смесь?

Синтез ядер - бомба Хранение и доставка боеголовки Взрыв запала и уплотнение ядерного заряда Накопление энергии Взрыв ядерной бомбы Взрыв термоядерной бомбы

Дефект массы • Почему же так много энергии выделяется даже при простом делении ядер, не говоря уже о синтезе? • Ответ в названии этого слайда • А масса все еще переходит в энергию по формуле E = mc 2 • Аннигиляция конечно круче. Но она пока только в теории. а. е. м.