4. Строение атома. Ядерные силы и ядерные реакции.

В 1913 году датский физик Н. Бор предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%

Я́дерная реа́кция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например, радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).

4. Реакции деления и синтеза. Основы ядерной энергетики

Кроме уменьшения массы, как необходимого условия протекания ядерных процессов, требуется также, чтобы ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии, достаточной для возникновения взрыва, раз начавшись, была бы самоподдерживающейся. Условию быстрого выделения больших количеств энергии могут удовлетворить два типа ядерных превращений, известных под названием “деление” и “синтез”. Процесс деления происходит при реакциях, в которых участвуют некоторые из наиболее тяжелых ядер (то eсть ядер, имеющих большой атомный номер); процесс же синтеза происходит при реакциях, в котоpых участвуют некотopые из наиболее легких ядер (то eсть ядер, имеющих малый aтомный номер).

Для осуществления ядeрных взрывов посредством реакции деления используются определённые изотопы элементов урана и плутония. Природный уран встречается в виде двух изотопов - урана-235 и урана-238. Уран-235, встречающийся в природе в гораздо меньшем количестве, чем уран-238, является готовым делящимся веществом, используемым в ядерном оружии. Элемент плутоний не встречается в природе в готовом виде, а его делящийся изотоп плутоний-239 получается искусственным путём. Когда свободный (то eсть несвязанный) нейтрон проникает в ядро атома, способного делиться, он может вызвать расщепление этого ядра на две части. Это и есть процесс деления, который сопровождается выделением большого количества энергии. Образующиеся при этом меньшие (то eсть более лёгкие) ядра называются продуктами деления.

B ядерной реакции синтеза два лёгких ядра соединяются (сливаются) вместе и образуют ядро более тяжёлого атома. Примером такой реакции является синтез изотопов водорода, известных под названием дейтерия или тяжёлого водорода. При определённых условиях ядра двух атомов дейтерия могут соединиться и образовать ядро атома более тяжёлого элемента — гелия с выделением энергии.

Ядерные реакции синтеза могут быть осуществлены лишь при очень высоких температурах, поэтому они называются термоядерными реакциями. При данной массе реагирующего вещества количество практически высвобождаемой энергии зависит от того, какой именно изотоп (или изотопы) участвует в ядерной реакции синтеза.