Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Фізика / Соколович_Ю.А.-Фізика._Навчально-практичний_довідник-Ранок(2010).pdf
Скачиваний:
315
Добавлен:
06.02.2016
Размер:
5.63 Mб
Скачать

4. Фізика атомного ядра

Енергія фотона hν (h — стала Планка), який випромінюється при переході його електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу, пов’язана з енергіями електронів на цих орбітах залежністю:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hνik

= Ei Ek .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отже,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

=

 

hc

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м =

ik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ei

Ek

 

 

 

 

 

 

 

7

 

ch

 

 

 

 

 

7

 

 

ch

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,097 10

 

 

 

1,097

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

hc

 

 

 

 

 

м =

 

 

 

 

k2i2

 

 

 

 

 

м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

7

2

k

2

)

 

 

 

 

 

1,097 107 ch

 

 

 

 

 

 

 

1,097

 

10 (i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обчислення:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ik] = м,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{λik} =

 

 

4 9

 

 

 

 

=6,56

10−7 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,097 107 (9−4)

 

 

Відповідь: λik = 0,656 мкм.

4.Фізика атомного ядра

4.1.Відкриття протона і нейтрона

1919 р. Е. Резерфорд здійснює першу ядерну реакцію і відкриває протон (p):

147 N +24 He → 178 O +11 p.

Протон — елементарна частинка з масою спокою, трохи більшою за 1 а. о. м. (1,67 · 10–27 кг) й елементарним позитив-

ним зарядом + e (1,6 · 10–19 Кл).

1932 р. Д. Чедвік відкриває нейтрон (n):

94 Be +24 He → 126 C +10 n .

367

Сучасна фізика

Нейтрон — елементарна частинка з масою спокою, трохи більшою від маси спокою протона, проте електричний заряд відсутній.

4.2. Теорія будови ядра

Теорія будови ядра (Д. Іваненко, В. Гейзен­берг­ та ін.):

Ядро кожного атома складається тільки з протонів та нейтронів (нуклонів). У ядрах деяких атомів вони можуть перетворюватися один в одного:

при перетворенні протона в нейтрон випромінюються позитрон і нейтрино:

11 p 10n +e+ +ν ;

при перетворенні нейтрона в протон випромінюються електрон й антинейтрино — нейтральна частинка з дуже малою масою спокою:

10 n 11 p +e+ν .

У ядрі протони і нейтрони міцно зв’язані внутрішньо­ ядерними силами, які є проявом сильних взаємодій.

Ядерні сили спостерігаються на відстані 10–14—10–15 м. Ядерні сили між двома протонами в атомному ядрі в 100 разів більші за кулонівські.

Протони і нейтрони в ядрі безперервно обмінюються частинками π-мезонами (π+, π, π0) — так звана обмінна вза-

ємодія.

A масове число атома (заокруглена до цілого відносна

атома маса), що дорівнює числу нуклонів у ядрі.

Z число протонів у ядрі (порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва).

N = A – Z число нейтронів у ядрі.

4.3. Енергія зв’язку ядра. Дефект маси

Енергія ядра:

E =mядраc2 .

Енергія зв’язку ядра — це енергія, яка потрібна, щоб розщепити ядро на окремі нуклони, або це енергія, яка виділиться при утворенні ядра з вільних нуклонів.

368

4. Фізика атомного ядра

Енергія зв’язку ядра визначається за дефектом маси

ядра:

Eзв. ядра = ∆mядраc2 .

Дефект маси ядра дорівнює різниці між сумою мас спокою нуклонів у вільному стані й масою спокою ядра:

mядра = Zmp + Nmn mядра .

Енергія зв’язку ядра вимірюється в МеВ:

1 МеВ = 106 еВ = 106 · 1,6 · 10–19 Дж = 1,6 · 10–13 Дж.

Наприклад, енергія зв’язку ядра 24 He дорівнює 28 МеВ.

4.4. Природна радіоактивність

Природна радіоактивність (три види):

1.α-розпад. У деяких важких ядрах два протони і два

нейтрони вступають у замкнуту взаємодію і виштовхуються з ядра. Первинне ядро випромінює α-частку (ядро

24 He ) і перетворюється в нове ядро елемента, який розташований на дві клітинки ближче до початку таблиці Менделєєва:

23994 Pu → 24He +23592 U .

2.β-розпад. У деяких ядрах нейтрон довільно (спонтанно) перетворюється в протон з ­випромінюванням електрона і антинейтрино. Утворюється нове ядро елемента, який розташований у таблиці Менделєєва слідом за елементом до випромінювання, тобто зміститься на одну клі-

тинку до кінця таблиці Менделєєва. Потік електронів, що виникає, називають β-випромінюванням:

23992 U → 23993 Np +e+ν .

3.γ-випромінювання. Ядра, що опинилися в збудженому­ стані, переходячи в стаціонарний стан, випромінюють

квант електромагнітного випромінювання високої частоти (γ-квант):

23992 U* 23992 U .

γ − квант

369

Сучасна фізика

4.5. ќтучна радіоактивність

Деякі штучно одержані радіоактивні речовини зазнають β+-розпаду.

В ядрах цих атомів один з протонів перетворюється в нейтрон з випромінюванням позитрона і нейтрино. Новий елемент зміщується на одну клітинку до початку таблиці Менделєєва:

137 N →136 C +e+ +ν,

1530 P →1430 Si +e+ +ν .

Ізотоп 1530 P отримують бомбардуванням Al α-частин­ ­ ками:

1327 Al +24 He → 1530P +10 n .

Ядерними реакціями називаються перетворення ядер при взаємодії з елементарними частинками або одне з одним.­

Ядерна реакція протікає так: ядро захоплює бомбардую­ чучастинку,поглинаєїїенергію,переходитьунестійкийстан та розпадається. Реакція, що протікає з поглинанням енергії,— ендотермічна, з виділенням енергії — екзотермічна.

4.6. Часткове звільнення внутрішньоядерної енергії при екзотермічних ядерних реакціях

Елементи, розташовані у середній частині таблиці Менделєєва, мають більшу питому енергію зв’язку ядер. Енергія звільнюється при з’єднанні легких ядер або при по-

ділі важких (рис. 340).

I. Термоядерний синтез легких ядер (відбувається при температурах в десятки мільйонів градусів). Енергія, що виділяється при цьому (екзотермічна ядерна реакція),— це кінетична енергія утворених ядер і частинок і супроводжується γ-випромінювання:

12 D +13 T → 24He +10 n ,

виділяється 17,6 МеВ;

73 Li +11 H →2 24He ,

виділяється 14,6 МеВ.

370

4. Фізика атомного ядра

Рис. 340

Енергія, що виділяється, дорівнює добутку величини дефекту маси ядерної реакції на квадрат швидкості світла:

E =mя.рc2 .

Дефект маси ядерної реакції — це різниця­ між сумою мас спокою ядер і частинок до і після ядерної реакції. При ендотермічній ядерній реакції дефект мас від’ємний ∆m < 0

(поглинання енергії), при екзотермічній — ∆m > 0. II. Ділення важких ядер.

Ядерні реакції особливо легко зумовлюються повільними нейтронами, які через відсутність заряду вільно проникають в атомні ядра та спричиняють їх перетворення.

Наприклад, ядро Урану-235 при захопленні нейтрона розщеплюється на два осколки X1 і X2; утворюються 1—3 нейтрони:

23592 U +10 n X1 + X2 +(1−3) 10 n ,

виділяється приблизно 200 МеВ енергії. Тут X1 і X2 — радіоактивні ізотопи.

371

Сучасна фізика

Осколки — це різні ядра радіоактивних ізотопів. При розпаді (діленні) певного елемента можливе утворення будьякої пари різних осколків з різним числом нейтронів:

Zr і Te, Xe і Sr, Sb і Nb та інші.

23592U захоплює тільки повільні (теплові) нейтрони.

Ланцюгові ядерні реакції.

За певних умов кожний звільнений в результаті розщеп­ лення важкого ядра нейтрон може бути захоплений ядром 23592U і звільнити ще 2—3 нейтрони. Якщо процес повторю-

ється, може виникнути самопідтримуюча ядерна реакція.

Коефіцієнт розмноження нейтронів — це відношення числа нейтронів, звільнених при поділі ядра, до числа нейтронів, які спричиняють поділ у даній масі ядерного пального.

Для протікання ланцюгової реакції необхідно, щоб коефіцієнт розмноження нейтронів у даній масі урану був k1.

Ланцюгова реакція в 23592U та 23994Pu здійснюється в атом-

них бомбах, де критична маса радіоактивної речовини обумов-

лює k1,01, тобто ядерний вибух.

У реакторах на атомних електростанціях здійснюється керована ядерна реакція (k = 1). Сповільнювачем нейтронів

в урано-графітовому реакторі є графіт (або важка вода). Енергія виділяється при розщепленні 23592U .

У паливі ядерних реакторів кількість 23592U менша, ніж кількість 23892U, який, захоплюючи повільний нейтрон, перетворюється в Плутоній 23994 Pu :

23592 U +10 n 23992 U* e+ν +23993 Np*

↓ γ1

T = 4,5 млрд років T =23 хв

 

23993 Np* e+ν +23994 Pu

↓ γ2

T = 2 діб

 

T = 24000 років

Керують реакцією введені в реактор стрижні з бору або кадмію, які поглинають теплові нейтрони.

У реакторі-розмножувачі на швидких нейтронах з 1 кг 23592U отримують 1,5 кг плутонію.

372