9. Физика атомного ядра

9.1. Радиоактивность, виды радиоактивных излучений. Методы наблюдения и регистрация ядерных излучений. Правила смещения при радиоактивных превращениях. Закон радиоактивного распада. Период полураспада

Радиоактивность – самопроизвольный распад ядер с испусканием одной или нескольких частиц.

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем.

Радиоактивными являются ядра с порядковым номером Z > 83.

Три типа излучения, сопровождающие распад радиоактивных ядер: 1) - излучение (поток ядер атома гелия); 2) β – излучение (поток быстрых электронов); 3) γ – излучение (поток квантов электромагнитного поля).

Методы наблюдения и регистрация ядерных излучений: 1) счетчик Гейгера; 2) камера Вильсона; 3) пузырьковая камера; 4) метод толстослойных фотоэмульсий.

Правило смещения при α- распаде: .

Правило смещения при β - распаде: .

В записи правил смещения для - и β- распада символ относится к материнскому ядру, символы – к дочерним ядрам.

Закон радиоактивного распада: N = N_o2^-t/T, где N_o – число нераспавшихся ядер в начальный момент времени (в момент начала наблюдения), t – отрезок времени, прошедший с момента начала наблюдения, N – число нераспавшихся ядер спустя отрезок времени t, T – период полураспада.

Период полураспада – отрезок времени, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается в два раза.

9.2. Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Изотопы. Ядерные силы. Энергия связи частиц в ядре

Нуклоны – частицы, из которых состоит ядро атома.

Два вида нуклонов: 1) протон (элементарная частица, имеющая положительный элементарный электрический заряд); 2) нейтрон (элементарная частица, не имеющая электрического заряда).

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра (Иваненко - Гейзенберг)).

Заряд ядра – величина, равная Ze, где Z – число протонов в ядре (порядковый номер элемента в таблице Менделеева), e – величина заряда протона (модуль заряда электрона).

Массовое число – число нуклонов в ядре (А = Z+ N, где N – число нейтронов в ядре).

Изотопы – ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов (и соответственно разным массовым числом).

Обозначение ядра химического элемента: , где А – массовое число ядра, Z – число протонов в ядре (порядковый номер элемента в таблице Менделеева).

Ядерные силы – силы, действующие между нуклонами в ядре.

Свойства ядерных сил: 1) самые мощные в природе; 2) короткодействующие (действуют на расстоянии порядка 10^-15 м); 3) зарядовая независимость (эти силы имеют одинаковое значение для взаимодействия а) двух протонов, б) двух нейтронов, в) протона и нейтрона); 4) не являются центральными силами (направлены под углом к прямой, соединяющей взаимодействующие нуклоны); 5) представляют новый тип взаимодействия в природе (так называемое сильное взаимодействие).

Энергия связи – энергия, которую необходимо сообщить ядру для его полного расщепления на отдельные нуклоны.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия, которую необходимо затратить для расщепления образовавшегося ядра. Поэтому масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя нуклонов, составляющих ядро: M_я < Zm_p + (A – Z)m_n, где m_p – масса покоя протона, m_n – масса покоя нейтрона, M_я – масса покоя ядра.

Дефект масс – разница между массой покоя составляющих ядро нуклонов и массой покоя ядра.

Формула для расчета дефекта масс ядра: ΔΜ = Zm_p + (A – Z)m_n – Μ_я.

Формула для расчета энергии связи ядра: E_св = ΔΜ·с² = (Zm_p + (A – Z)m_n – Μ_я)с², где ΔΜ – дефект масс ядра, с = 3·10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Удельная энергия связи – энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон:

Е_уд.= Е_св/А.

Наиболее устойчивы (имеют максимальную удельную энергию связи 8,6 МэВ/нуклон) элементы с массовыми числами от 50 до 60 (железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы).

Наименее устойчивы ядра тяжелых элементов (это объясняется большим числом протонов в ядре, взаимодействующих между собой кулоновскими силами отталкивания).

9.3. Ядерные реакции. Энергетический выход ядерной реакции. Ядерные реакции на нейтронах. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Критическая масса. Ядерный реактор, его основные элементы. Термоядерные реакции

Ядерная реакция – процесс сильного (ядерного) взаимодействия ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер).

Ядерная реакция протекает с выделением энергии в том случае, если сумма масс покоя исходных продуктов больше суммы масс покоя конечных продуктов реакции.

Ядерная реакция протекает с поглощением энергии в том случае, если сумма масс покоя исходных продуктов меньше суммы масс покоя конечных продуктов реакции.

Примером ядерной реакции на нейтронах может служить следующая реакция:

.

Взаимодействие ядер с нейтронами происходит эффективнее в случае, когда нейтроны имеют небольшую скорость (медленные нейтроны, скорость которых имеет значение порядка 2 км/с).

Замедление нейтронов осуществляют путем столкновений с ядрами вещества замедлителя (при столкновениях с ядром атома водорода (протоном) нейтрон теряет половину своей энергии; в углероде энергия нейтрона уменьшается вдвое лишь после трех столкновений). Прекрасным замедлителем нейтронов является тяжелая вода D₂O, где D – изотоп водорода дейтерий ( ). В качестве замедлителей используют углерод, бериллий, двуокись бериллия.

В 1938 году немецкие ученые О. Ганн и Ф. Штрассман открыли явление деления ядер урана нейтронами. Ядро урана делится (чаще всего) на два осколка, два – три нейтрона и γ – кванты. Осколки, образовавшиеся после распада ядра урана, становятся, в свою очередь, источниками β- и γ- излучения. При каждом акте деления ядер урана выделяется энергия порядка 200 МэВ.

На кинетическую энергию осколков приходится 82% энергии распада ядра урана , на кинетическую энергию нейтронов деления – 3%.

Нейтроны деления ядра урана могут, в свою очередь, быть захвачены другими ядрами. Делящиеся ядра урана становятся источниками «новых» 2 – 3 нейтронов. Таким образом, число новых нейтронов деления (и делящихся ядер) увеличивается лавинообразно (говорят, что существует процесс размножения нейтронов).

Ядерная цепная реакция – реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов, возникших на некотором этапе реакции, к числу нейтронов, существовавших до этого этапа.

Активная зона – область пространства, в которой происходит цепная реакция.

Процессы, приводящие к уменьшению коэффициента размножения нейтронов: 1) вылет нейтронов за пределы активной зоны; 2) захват нейтронов ядрами урана без последующего деления; 3) захват нейтронов продуктами деления; 4) захват нейтронов ядрами вещества замедлителя и теплоносителя.

Процессы, приводящие к увеличению коэффициента размножения нейтронов: 1) захват нейтронов (как быстрых, так и медленных) ядрами изотопа урана с последующим делением; 2) захват нейтронов (только быстрых) ядрами изотопа урана с последующим делением (при этом примерно только один из пяти быстрых нейтронов вызывает деление ядра урана, остальные нейтроны захватываются ядрами без деления).

При k = 1 наблюдается стационарное течение цепной реакции. Небольшое увеличение (на 0,01) значения k приводит почти мгновенно к взрыву. При k < 1 цепная реакция прекращается.

Самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана было открыто в 1940 году советскими физиками Г.Н. Флеровым и К. А. Петржаком.

Критическая масса делящегося вещества – масса вещества, при которой уже возможна цепная ядерная реакция (k = 1).

Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляют управляемую цепную ядерную реакцию.

Основные элементы ядерного реактора: 1) ядерное горючее ( , , , и др.); 2) замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.); 3) теплоноситель – вещество, служащее для вывода тепла, образовавшегося при работе реактора (вода, жидкий натрий и т.д.); 4) устройство для регулирования скорости реакции в активной зоне (стержни из кадмия или бора, вводимые (или выводимые) в рабочее пространство реактора; кадмий или бор интенсивно поглощают нейтроны); 5) отражатель нейтронов (применяются вещества, которые служат замедлителями нейтронов); 6) защитная оболочка, ослабляющая потоки нейтронного и γ – излучения (бетон с железным наполнителем и др.).

Два вида ядерных реакторов: 1) реактор на медленных нейтронах; 2) реактор на быстрых нейтронах (в реакторах этого типа замедлитель нейтронов отсутствует).

Реактор на быстрых нейтронах позволяет осуществить процесс воспроизводства ядерного горячего (происходит это при превращениях ядер изотопа урана в ядра изотопа плутония (после двух β – распадов)). В активную зону реактора на быстрых нейтронах загружают смесь изотопов урана и . Изотопа в смеси должно быть не менее 15%.

Первый ядерный реактор был запущен в США в 1942 году группой ученых под руководством Э. Ферми (1901 – 1954 г.г.). В СССР ядерный реактор был создан в 1946 году коллективом физиков под руководством Игоря Васильевича Курчатова (1903 – 1960 г.г.).

Термоядерная реакция – ядерная реакция синтеза (слияния) легких ядер в более тяжелые.

Примеры термоядерных реакций: (выделяемая в этой реакции энергия составляет приблизительно 3,5 МэВ/нуклон); (выделяемая в этой реакции энергия составляет приблизительно 6,7 МэВ/нуклон).

Для слияния легких ядер необходима высокая температура (порядка десяти миллионов градусов), так как только в этом случае средняя кинетическая энергия ядер будет достаточна для преодоления их кулоновского отталкивания.

Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В земных условиях эта реакция протекает только во время взрыва водородной (термоядерной) бомбы.

Перед учеными поставлена задача научиться управлять термоядерной реакцией, т.е. получить контролируемое выделение энергии. Работа над этой проблемой ведется в нашей стране и за рубежом.