Взаємозв’язок маси та енергії матерії. Атомний розпад. Ланцюгова реакція.
Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тою ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спострерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) mv2 / 2, де m - маса тіла, а для іншого - нулю.
Енергія тіла залежить від швидкості вже не так як у Ньютонівській фізиці, а інакше:
,
де m - інваріантна маса.
Спектри α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.
β-розпад
Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад - прояв слабкої взаємодії.
β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:
+
γ.
Правило зсуву Содді для β-розпаду:
+
γ.
Приклад:
+
γ.
α-розпад
α-розпадом
називають мимовільний розпад атомного
ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро
атома
).
α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.
Правило зсуву Содді для α-розпаду:
.
Приклад:
.
γ-розпад
Гамма промені це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.
Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. Це хімічні і ядерні реакції, у яких поява проміжної активної частки (радикала, атома або збудженої молекули — у хімічних, нейтрона — у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).
Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.
141. Термоядерний синтез
Ядерний синтез — це процес, під час якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.
Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб відбулася ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню, потрібна дуже значна кількість енергії. Але, у випадку легких ядер, внаслідок об'єднання двох ядер із утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж іде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез - дуже перспективне джерело енергії і є одним із основних напрямків дослідження сучасної науки.
Кількість енергії, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша, ніж у хімічних реакціях, тому що енергія зв'язку нуклонів у ядрі значно більша, ніж енергії зв’язку електронів у атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка отримується при зв'язуванні електрона з протоном із утворенням атому водню, складає 13.6 електрон-вольт — менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються під час реакції дейтерію із тритієм, що описана нижче.