41. Состав атома ядра и его размеры. Ядерные силы. Модели ядра. Энергия связи и дефект массы ядра. Удельная энергия связи.

Ядро состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц). Протоны и нейтроны называются нуклонами.

Обозначение ядра элемента , A – массовое число (сумма протонов и нейтронов в ядре), z –зарядовое число (число протонов).

Радиус ядра элемента имеет следующую зависимость от массового числа , где R_o=1.3-1.7 10^-13 см. Плотность вещества ядра составляет ~10¹⁷ кг/м³.

Нуклоны внутри ядра удерживаются ядерными силами, которые относятся к сильному взаимодействию.

Свойства ядерных сил:

они короткодействующие; это силы притяжения; не зависят от заряда; обладают свойством насыщения (каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом других нуклонов); не является центральными; зависят от ориентации спинов.

Магнитные моменты нуклонов малы, т.к. ядерный магнитный момент одного нуклона, например протона (сушественно меньше чем у электрона из-за большей массы).

Наиболее распространёнными моделями ядра являются: капельная (ядро в виде заряженной жидкости, удерживаемой силами «поверхностного натяжения» и подчиняющейся законам квантовой механики), хорошо описывает реакции деления ядра; оболочная (в основе котрой лежит распределение нуклонов по дискретным энергетическим уровням (оболочкам)) – объясняет устойчивость некоторых ядер.

Дефектом массы ∆m называют разность масс покоя всех нуклонов, составляющих ядро и самого ядра.

,

Где m_p, m_n, m_я – массы протона, нейтрона и ядра, соответственно.

Энергия связи ядра – это энергия, которую надо сообщить ядру, чтобы разъединить его на нуклоны.

Удельная энергия связи - энергия связи на один нуклон –

Для всех элементов периодической таблицы Менделеева, зависимость удельной энергии связи элементов от их массового числа имеет вид:

Рис.1. Зависимость удельной энергии связи элементов от их массового числа

Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет растущей с увеличением Z кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро. Поэтому для них характерны реакции деления. При этом на один нуклон выделяется энергия, равная разности удельных энергий связи между конечным и начальным элементом (рис.1). Из рис.1 видно, что еще большая энергия может выделиться при реакции синтеза более тяжелых ядер из более легких.

42. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Правила смещения при  и  распаде. Ядерные реакции и их энергетический выход. Цепная реакция деления ядер. Термоядерная реакция синтеза.

Радиоактивность – это способность ядер некоторых элементов самопроизвольно распадаться с образованием ядер других элементов и определённого вида излучения α, β, γ:

α излучение – поток ядер гелия (α частиц),

β излучение – поток быстрых электронов (или позитронов),

γ излучение – поток наибольшее высокоэнергетических квантов.

При радиоактивном распаде число распадающихся в единицу времени атомов пропорционально числу атомов радиоактивного элемента, т.е. или , где – постоянная радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада имеет вид , где N_o – количество атомов при t=0, N – при t.

, где - период полураспада

Активность радиоактивного элемента – число распадов в единицу времени (измеряется в Бк =1 распад в секунду или в Ku=3.7 10¹⁰ Бк)

Правило смещения при α и β^- и β⁺ распаде.

При α –распаде

При β^- - распаде – реализуется при естественной радиоактивности,

При β⁺ - распаде – реализуется при искусственной радиоактивности.

Ядерные реакции – это превращения ядер одних элементов при их взаимодействии с элементарными частицами (или другими элементами) в ядрах других элементов.

Символическое обозначение ядерной реакции

X+a -> Y+b или X(ab)Y, где X и a – ядра и элементарные частицы до реакции, Y и b – после реакции, соответственно.

При ядерной реакции выполняется закон сохранения энергии.

Энергия выхода ядерной реакции Q будет равна

,.

Т.е. представляет разность кинетических энергий элементарных частиц и ядер после и до реакции (или же разность энергий покоя частиц и ядер до и после реакций).

Если Q>0 – экзотермическая (происходит с выделением тепла), Q<0 – эндотермическая (происходит с поглощением тепла).

Открытие нейтрона(1932 г.) – принципиальный момент, для осуществления ядерных реакций деления (так как в силу нейтральности он может подойти близко к ядру и быть захваченным им, вызвав его нестабильность). Характер ядерных реакций под воздействием нейтронов существенно зависит от их скорости (существуют быстрые нейтроны 10⁴ эВ, медленные ниже 10⁴ эВ, тепловые 10^-3 0,5 эВ). Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядра, так как долго находятся вблизи его. Реакция деления ядра ₉₂U²³⁵ под воздействием медленных нейтронов – в результате образуются дочерние ядра (1/3 и 2/3 от массы ₉₂U²³⁵ - это Sr и Cs) и 2-3 вторичных быстрых нейтрона, которые (если их превратить в медленные) могут вызвать цепную реакцию деления. Цепная реакция – реакция, при которой продукты этой реакции могут вызвать ее снова. Ядерная цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k, представляющем собой отношение числа нейтронов на каком либо этапов деления к числу нейтронов в предыдущем этапе. Если k>1, то реакция развивающаяся, Если k=1 – самоподдерживающаяся, если k<1 – затухающая. Если k>>1 – происходит ядерный взрыв.

Управляемые ядерные реакции деления осуществляются на атомных электростанциях (k≥1). В качестве замедлителя быстрых ней тронов используется углерод, в качестве поглотителя – боровые стержни (для регулировки k). Отвод тепла от реактора осуществляется с помощью теплоносителя (жидкого металла или воды). Теплота, переносимая теплоносителем, превращает воду во вторичном контуре в пар, который вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию. Неуправляемая ядерная реакция осуществляется в атомной бомбе. Для ее осуществления (Если k≥1) необходимо количество радиоактивного элемента больше некоторой критической массы (для ₉₂U²³⁵это ~50 кг).

Реакция синтеза атомных ядер является колоссальным источником энергии (при нем выделяется в 3-4 раза больше энергии, чем при атомном взрыве, см. рис.1. предыдущего параграфа). Основная трудность заставить одноименно заряженные ядра сблизиться на расстояние действия ядерных сил. На настоящий момент это осуществляется с помощью высоких температур (для водородной бомбы запалом служит атомная бомба, при взрыве которой реализуются температуры ~10^{6 о}С ) Термоядерные реакции реализуются на Солнце и происходят в виде двух циклов: протонно - протонного (или водородного) в результате которого реализуются температуры ~10^{7 о}С, и углеродно-азотного (или углеродного), в результате которого реализуются температуры ~2 10^{7 о}С В результате обоих циклов синтезируется гелий.