Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Лабораторный практикум
.pdf
71
Примером β -распада может служить реакция превращения массивного изотопа калия в кальций:
→ + + .
Символом обозначен электрон (β -частица), а символом —
антинейтрино. Мы видим, что массовое число исходного ядра (в данном
случае 40) в результате β -распада не меняется (массовое число равно числу нуклонов в ядре, а число нуклонов при β -распаде не меняется). Просто
вместо одного нейтрона появляется один протон.
Ход работы:
Задание 1.
1. Изучите процессы α- и β -распада.
2. Создайте модель процесса α- распада на примере .
3. Создайте модель процесса β -распада на примере .
Задание 2.
1. Какой химический элемент образуется в результате α –распада изотопа
урана ? Запишите эту реакцию.
2. В результате какого числа β-распадов ядро атома тория превраща-
ется в ядро атома урана ?
Контрольные вопросы
1. Что происходит с ядром радиоактивного элемента при α -распаде?
2. Сформулируйте правило смещения для α –распада.
72
3. Что происходит в ядре атома, претерпевшего β -распад? Какие частицы
при этом излучаются? Что происходит с зарядом ядра и почему?
4. Сформулируйте правило смещения для β -распада.
5. Изменяется ли массовое число ядра при β -распаде? Почему?
Лабораторная работа №29. Исследование треков заряженных частиц
по фотографиям
Цель: изучение основных характеристик движения заряженных частиц в
магнитном поле.
Оборудование: фотографии, линейка, циркуль.
Краткая теория
Одним из приборов для регистрации частиц является камера Вильсона, изобретенная Ч. Вильсоном в 1927 г. В камере Вильсона треки заря-
женных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных пролетающей заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров, достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при
хорошем освещении. Рабочей средой является смесь паров воды и спирта
под давлением 0,1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счѐт расширения рабочего объѐма. Время чувствительности камеры, в течение которого
перенасыщение остаѐтся достаточным для конденсации на ионах, а сам
объѐм приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе
и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объѐм камеры и восстановить еѐ
73
чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.
Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении еѐ в магнитное поле. По искривлѐнной магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак еѐ заряда и импульс.
При исследовании трека заряженной частицы по фотографиям необходимо помнить, что:
1. Длина трека тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше
плотность среды.
2. Толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше еѐ
скорость.
3. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек получается
искривлѐнным, причѐм радиус кривизны трека тем больше, чем больше
масса и скорость частицы и чем меньше еѐ заряд и модуль индукции магнитного поля.
4. Частица движется от конца трека с большим радиусом кривизны к кон-
цу с меньшим радиусом кривизны. Радиус кривизны по мере движения
уменьшается, т.к. из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы.
Ход работы:
Задание 1. Изучение деления ядра атома урана по фотографии тре-
ков.
На данной фотографии вы видите треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана
находилось в точке g, указанной стрелочкой.
74
По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противоположных направлениях (излом левого трека объясняется столкновением
осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).
1. Пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки,
образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях.
2. Известно, что осколки ядра урана представляют собой ядра атомов
двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы Д.И. Менделеева.
Одна из возможных реакций деления урана может быть записана в
символическом виде следующим образом:
U + Оп → 56Ва + zХ + 2 • Оп,
92
где символом zХ обозначено ядро атома одного из химических элементов.
Пользуясь законом сохранения заряда и таблицей Д.И. Менделеева, определите, что это за элемент.
Задание 2. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.
1. На представленных фотографиях изображены треки частиц, движу-
щихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.
2. Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере
Вильсона и ответьте на данные ниже вопросы.
a) В каком направлении двигались α -частицы?
b) Длина треков α -частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
c) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого
следует?
3. Дана фотография треков α -частиц в камере Вильсона, находившейся в
магнитном поле. Определите по этой фотографии:
75
a) Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движе-
ния α -частиц?
b) В какую сторону двигались частицы?
4. Дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившей-
ся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
a) Почему трек имеет форму спирали?
b) В каком направлении двигался электрон?
c) Что могло послужить причиной того, что трек электрона гораздо
длиннее треков α -частиц?
Контрольные вопросы
1. От чего зависит длина трека частицы, движущейся в магнитном поле?
2. Почему в магнитном поле трек частицы получается искривленным?
3. От чего зависит радиус кривизны трека?
Лабораторная работа №30. Принцип работы атомных электро-
станций
Цель: исследование процессов, происходящих в АЭС при выработке
энергии.
Оборудование: интерактивные модели, ПК, мультимедийная презентация.
Краткая теория
Атомная электростанция (АЭС) - электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую.
Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло,
которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер
некоторых тяжѐлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых
электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от
ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном го-
76
рючем (в основном
233
U,
235
U.
239
Pu). При делении 1 г изотопов урана или
плутония высвобождается 22 500 квт ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно
превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива
(нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы
для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе.
Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения мощностью 5 Мвт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого
энергия атомного ядра использовалась преимущественно в военных целях.
Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике,
получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева). За рубежом первая АЭС промышленного назначения мощностью 46
Мвт была введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Англия). Через
год вступила в строй АЭС мощностью 60 Мвт в Шиппингпорте (США).
В наше время — крупнейшая в мире. Она расположенная в 8 км от города Балаково Саратовской области, на левом берегу
Саратовского водохранилища. Является крупнейшей АЭС в России, среди
крупнейших электростанций всех типов в мире она занимает 51-ю позицию. Ежегодно она вырабатывает более 30 миллиардов кВт·ч электроэнергии, что обеспечивает четверть производства электроэнергии в Приволжском Федеральном округе и составляет пятую часть выработки всех АЭС
России.
Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора, отбирается водой
(теплоносителем) 1-го контура, которая прокачивается через реактор цир-
77
куляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор), где передаѐт тепло, полученное в реакторе, воде
2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образующийся пар поступает в турбину.
Наиболее часто на АЭС применяются 4 типа реакторов на тепловых
нейтронах: 1) водо-водяные, с обычной водой в качестве замедлителя и
теплоносителя; 2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжѐлой
водой в качестве замедлителя; 4) графито-газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется
главным образом накопленным опытом в реакторостроении, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и
т.д.
В зависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создаѐтся тот или иной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхней температурной границы термодинамического цикла определяется максимально
допустимой температурой оболочек тепловыделяющих элементов
(ТВЭЛ), содержащих ядерное горючее, допустимой температурой собственно ядерного горючего, а также свойствами теплоносителя, принятого
для данного типа реактора. На АЭС, тепловой реактор которой охлаждается водой, обычно пользуются низкотемпературными паровыми циклами.
Реакторы с газовым теплоносителем позволяют применять относительно
более экономичные циклы водяного пара с повышенными начальными
давлением и температурой. Тепловая схема АЭС в этих двух случаях является двухконтурной: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, 2-й контур
- пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемператур-
78
ным газовым теплоносителем возможна одноконтурная тепловая АЭС. В
кипящих реакторах вода кипит в активной зоне, полученная пароводяная
смесь сепарируется, и насыщенный пар направляется или непосредственно
в турбину, или предварительно возвращается в активную зону для перегрева. В высокотемпературных графито-газовых реакторах возможно применение обычного газотурбинного цикла. Реактор в этом случае выполняет
роль камеры сгорания.
При работе реактора концентрация делящихся изотопов в ядерном
топливе постепенно уменьшается, т.е. ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы) выгорают. Поэтому со временем их заменяют свежими. Ядерное горючее перезагружают с помощью механизмов и приспособлений с дистанционным управлением. Отработавшие ТВЭЛы переносят в бассейн выдержки, а затем направляют на переработку.
Ход работы:
Задание 1. Моделирование процесса.
1. На основании предложенного материала исследуйте процесс выработ-
ки электроэнергии в АЭС и способ ее передачи потребителю.
2. Смодулируйте процесс выработки электроэнергии в АЭС и способ ее
передачи потребителю.
Задание 2. Ответьте на вопросы.
1. На каком ―топливе‖ работает АЭС?
2. Какие типы реакторов применяются на АЭС?
3. Какую роль на АЭС играет компенсатор давления?
79
Правила техники безопасности в лаборатории физики
1. При работе со стеклянными приборами необходимо:
применять стеклянные трубки с оплавленными краями;
правильно подбирать диаметры резиновых и стеклянных трубок для их
соединения;
использовать стеклянную посуду без трещин;
не допускать резких изменений температуры и механических ударов;
соблюдать осторожность при вставлении пробок в стеклянные трубки и
обратном процессе;
отверстие пробирки или горлышко колбы при нагревании в них жидко-
стей направлять в сторону от себя и учащихся.
2 Категорически запрещается применять бензин в качестве топлива в
спиртовках.
3 Запрещается применение асбестированных сеток и нафталина.
4 Запрещается применение:
металлической ртути;
генератора УВЧ на октальных лампах;
индукционных катушек ИВ-50, ИВ-100 и пробора для демонстрации
искровой обработки металлов;
электрического оборудования с открытыми контактами на напряжение
выше 42В переменного тока и 110В постоянного.
5 До включения приборов в цепь необходимо убедиться в соответствии
переключателей номинальному значению, а также в исправности предохранителей.
6 Все изменения в электрических цепях (замена приборов, переключения) проводить только при разомкнутой цепи.
80
7 Нельзя оставлять включенные электро- и радиоустановки без надзора и
допускать к ним посторонних лиц.
8 После выключения цепи необходимо разрядить конденсаторы путем
соединения электродов разрядником.
9 При выполнении работ на установление теплового баланса воду следует нагревать не выше 60-700 С.
10 Запрещается зажигать спиртовку от другой горящей спиртовки.
Типовая инструкция по правилам безопасности для обучаемых
1. Будьте внимательны и дисциплинированы. Точно выполняйте указания
учителя.
2. Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
3. Размещайте приборы оборудование так, чтобы исключить их падение
или опрокидывание.
4. Перед выполнением работы внимательно изучите еѐ содержание и ход
выполнения.
5. При выполнении работ не допускайте предельных нагрузок измери-
тельных приборов.
6. Следите за исправностью всех креплений в приборах и установках. Не
прикасайтесь и не наклоняйтесь к вращающимся частям машин.
7. При сборке электрической цепи избегайте пересечения проводов. За-
прещается пользоваться проводниками с изношенной или поврежденной
изоляцией.
8. Источник тока подключайте к цепи в последнюю очередь.
9. Наличие напряжения можно проверять только с помощью приборов
или указателей напряжения.
10. По окончании работы отключите источник электропитания и разберите
цепь.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]