1 1. Дефект массы.

Нуклоны - протоны и нейтроны.

Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных нуклонов.

Дефект массы - недостаток массы ядра по сравнению с суммой масс свободных нуклонов.

Расчетная формула для дефекта массы

М_я - масса ядра ( Zm_p + Nm_n ) - сумма масс свободных нуклонов, сливающихся в ядро Z - число протонов m_p - масса свободного протона N - число нейтронов m_n - масса свободного нейтрона

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. Измерения показывают, что масса любого ядра M_я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов : 

M_я < Zm_p + Nm_n

В таблицах принято указывать удельную энергию связи, т. е. энергию связи на один нуклон.

Удельная энергия связи ядер.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

Почти 90 % из известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью.

У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов.

Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия.

Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона.

Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Радиоактивное излучение.

Радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов : положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α- , β- и γ- излучениями.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности.

Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Закон радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени.

N=N₀·2^-t/T закон радиоактивного распада

N - число ядер в момент времени t

Т - период полураспада

При реакциях самопроизвольного радиоактивного распада, также как и при искусственных ядерных реакциях выполняются следующие законы сохранения :

- сохранение зарядового числа

- сохранение массового числа

- сохранение энергии

Типы радиоактивных распадов :

α-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z - 2 и нейтронов N - 2.

При β-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами.

В отличие от α- и β-радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α- , так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких  γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Период полураспада - время, за которое общее количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Период полураспада характеризует скорость распада. 

Скорость радиоактивного распада - число распадов в единицу времени. В общем виде скорость радиоактивного распада записывается, как :

I - Скорость распада

T - Период полураспада

t - Время распада

К началу 40-х годов прошлого века работами многих ученых было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы - лантан и барий.

Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового типа - реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z≈1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z≈1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления.

Правила смещения точно указывают, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение.

При α-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева. Формула α-распада :

При β-распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино. Формула β-распада :

γ-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

X - материнское ядро

Y - символ дочернего ядра

hv - квант энергии, испускаемой ядром

Ядерная реакция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции Q, равной разности энергий конечной и исходной пар в реакции. Если Q < 0, то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической; если Q > 0, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина :

Q = (M_A + M_B – M_C – M_D)c² = ΔMc²

M_A и M_B - массы исходных продуктов

M_C и M_D - массы конечных продуктов реакции

Величина  ΔM  называется дефектом масс

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция - часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.