Розовое пособие. Полное. На сайте

21

ТЕМА 2. СТРОЕНИЕ АТОМА. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

«Я никогда не воспринимаю буквально выражение планетарный атом»

Из беседы Н. Бора с В. Гейзенбергом 1922 г.

«Планетарная модель только образ, а не действительное изображение атома. У нас нет иного языка, кроме наглядного, для описания микромира. А этот язык для квантовой действительности совсем непригоден» Н. Бор.

«Человек в процессе познания природы может оторваться от своего во- ображения, он может открыть и осознать даже то, что ему не под силу представить» Л. Ландау.

«Таким удивительным завоеванием человеческой мысли явилось в нашем веке открытие вероятностной картины мира в глубинах материи, где конча- ется власть классической причинности» Д. Данин.

Строение атома

Долгое время считали, что атомы являются неделимыми частицами. Но в конце XIX в. был установлен ряд фактов, свидетельствующих о том, что атом сам состоит из каких-то частиц. К этим фактам относятся, прежде всего, открытие явления радиоактивности (1896 г., французский физик Анри Беккерель) и открытие электрона (1897 г, английский физик Джозеф Джон Томсон).

Стало ясно, что атом является сложным образованием. Встал вопрос о строение атома, о его внутренней структуре.

Модель атома Томсона

Первая модель строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1898 г. Согласно его модели атомы состоят из положительно заряженной сферы, в которую вкраплены отрицательно заряженные электроны. Но согласно законам физики любая система, состоящая из неподвижных зарядов, является неустойчивой. И с 1903 г. в улучшенной томсоновской модели электроны стали двигаться внутри положительно заряженной сферы.

Модель атома Резерфорда

Для проверки модели атома Томсона Эрнест Резерфорд (англ. физик) проводил опыты по обстрелу α -частицами атомов металла. Для этого на пути α -частиц помещалась тонкая металлическая фольга. За фольгой располагался экран, покрытый сульфидом цинка. При столкновении частиц с экраном происходила вспышка (сцинтилляция). Резерфорд ожидал, что пройдя через содержащую огромное количество атомов металлическую фольгу, α -частицы откло-

22

нятся от своего первоначального пути и полетят во все стороны. Эксперименты показали, что только одна α -частица из 8000 отклонялась на значительный угол. Причем, создавалось впечатление, что на пути отклонившейся частицы встретилась непреодолимая преграда. Остальные частицы проходили почти не отклонившись. Исходя из экспериментальных данных, Резерфорд сделал вывод, что атом в основном пустой, а внутри, в самой глубине атома находится положительный заряд, связанный с массой. Он назвал эту часть атома ядром.

На основании опытов по рассеянию α -частиц Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра очень малого по размерам. Вокруг ядра движутся электроны, которые образуют электронную оболочку атома. Число электронов таково, что атом в целом электронейтрален. Диаметр ядра имеет порядок 10-15 м, а диаметр атома - 10-10 м, т.е. атом в 100 тысяч раз больше ядра.

Планетарная модель строения атома Резерфорда была неустойчивой: При вращении - даже равномерном - скорость вращения меняется непрерывно: оставаясь неизменной по величине, она меняется по направлению, а если заряды (в данном случае электроны) движутся с переменной скоростью, то они излучают электромагнитную энергию. И, в конце концов, потеряв энергию электрон должен упасть на ядро. Все это осуществляется согласно законам классической физики. Расчеты показывали, что время жизни «атома Резерфорда» порядка 10-8 с.

По той же причине в «атоме Резерфорда» энергия должна излучаться непрерывно в виде сплошного спектра, но эксперименты показывали, что спектры атомов имеют прерывистый линейчатый характер (т.е. излучение не происходит непрерывно).

Резерфорд знал недостатки свой модели. Поэтому в 1911 г. в статье в «Философском журнале», в котором он опубликовал свою атомную гипотезу,

Резерфорд написал «Вопрос об устойчивости предлагаемого атома на этой стадии не следует подвергать рассмотрению».

Модель атома Бора

В 1913 г. модель атома Резерфорда была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором. Согласно модели Бора электрон движется в атоме по индивидуальной устойчивой орбите. До тех пор пока электрон находится на этой орбите, он не излучает энергию. При переходе электрона с одной стацио-

23

нарной орбиты на другую излучается или поглощается квант электромагнитной энергии.

Изучая спектры различных атомов, Бор пришел к выводу, что при перемещении с одной орбиты на другую электроны испускают различные порции электромагнитной энергии. При этом, излучая кванты, электроны могли оказаться на любой промежуточной орбите, разрешенной природой, и начать устойчиво на ней вращаться.

Перемещение электронов в атоме образно можно представить в виде их скачков по лестнице уровней энергии; электрон может перепрыгнуть через одну или несколько ступеней. От размаха прыжка зависит лишь величина испускаемого при этом кванта - цвет спектральной линии.

Устойчивость атома Бор объяснил следующим образом: в атоме есть одно стационарное состояние, которое обладает самой низкой энергией. Ниже этого состояния электрон спуститься не может, в этом состоянии электрон может находиться сколь угодно долго. Атомы, содержащие электроны, находящиеся в самом низком энергетическом состоянии, очень устойчивы. Это состояние атома Бор назвал основным.

Так Бор объяснил устойчивость атома водорода. Но возник новый вопрос. Одним из первых его задал Бору сам Резерфорд:

«Как решает электрон - с какой частотой он должен колебаться, когда происходит переход из одного стационарного состояния в другое? Мне ка- жется, Вы вынуждены будете допустить, что электрон заранее знает, где он собирается остановиться».

Ответ на этот вопрос пришел значительно позже, после открытия формулы де Бройля. Согласно де Бройлю на разрешенной орбите волнообразный электрон попадает в ловушку и устойчиво движется по такой орбите, оттого, что волна умещается в ней целое число раз. Электрон останавливается на той орбите, на которой он как волна умещается целое число раз.

Модель Бора объяснила прерывистость атомных спектров, устойчивость атома водорода, но не могла объяснить:

1.Строение многоэлектронных атомов.

2.Почему электрон не излучает, двигаясь по стационарной орбите.

3.Где находится электрон в момент перехода с орбиты на орбиту и многое другое.

24

Главным недостатком модели атома Бора было то, что в этой модели одновременно действовали законы классической механики и квантовые законы. Электрон двигался по атомным орбитам согласно законам классической механики, а переходил с орбиту на орбиту по квантовым законам.

В конце концов, стало ясно, что электрон как микрочастица не подчиняется законам классической механики. И вот в 20-х годах ХХ века начинается разработка новой теории – квантовой механики, описывающей поведение микрочастиц, в том числе, и электрона.

Современные представления о строении атома

Современная модель строения атома базируется на следующих основных положениях квантовой механики:

1.Энергия излучается атомами определенными порциями – квантами.

2.Корпускулярно-волновом дуализме.

3.Вероятностном характере законов микромира.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят элементарные частицы протон и нейтрон. На электронных оболочках располагаются электроны.

Электрон в атоме не движется по орбите, можно только говорить о вероятности нахождения электрона в какой-то части объема атома.

Состояние электрона в атоме описывается волновой функцией Ψ . В разных точках атомного пространства эта функция принимает разные значения. Квадрат волновой функции Ψ2 характеризует вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства.

Волновая функция является математическим описанием атомной орби- тали (АО). Физический смысл АО заключается в следующем: атомная орбиталь – это область пространства вокруг ядра, в которой с наибольшей вероятностью (до 90 %) может находиться электрон. Форму и размеры граничной поверхности принято считать формой и размером орбитали.

Вероятность нахождения электрона в данном месте атома определяется с помощью волнового уравнения австр. физика Шредингера (1926 г.).

Из уравнения Эрвина Шредингера (преобразовывая и решая его) находят целочисленные параметры, получившие названия квантовых чисел (главное, орбитальное и магнитное). С помощью трех квантовых чисел описывают атомные орбитали и состояние электрона в атоме.

25

Квантовые числа Главное квантовое число

Может принимать целочисленные значения от 1 до ∞ . Оно как бы делит электронную оболочку атома на энергетические уровни. Каждому уровню соответствует свое главное квантовое число. Физический смысл главного квантового числа: оно определяет размеры атомных орбиталей и полную энергию электрона на энергетическом уровне.

Орбитальное квантовое число

В многоэлектронных атомах происходит расщепление энергетических уровней на подуровни. Каждый подуровень характеризуется своим значением орбитального квантового числа. Орбитальные квантовые числа принято обозначать буквенными символами: s, p, d, f. Физический смысл орбитального квантового числа - оно характеризует энергию электрона на энергетическом подуровне и форму атомной орбитали или электронного облака. АО может иметь сферическую форму, форму гантели, двухлепестковую и более сложные формы.

Магнитное квантовое число

С помощью магнитного квантового числа энергетические подуровни делятся на атомные орбитали. Каждому подуровню соответствует определенное количество атомных орбиталей:

подуровню s соответствует одна АО,

Магнитное квантовое число определяет ориентацию АО в пространстве. АО условно изображают квадратом (кружочком или черточкой), который

называют квантовой ячейкой.

Спиновое квантовое число

Электроны, двигаясь в поле ядра, веретенообразно вращаются вокруг собственной оси. Т.о. создаются собственный магнитный и механический моменты импульса электрона, которые объединили под общим названием «спин». Спиновое квантовое число принимает два значения +1/2 и -1/2. Электроны, имеющие одинаковое направление спина, называются параллельными; электроны, имеющие противоположное направление спина, называются антипараллельными.

27

Строение атомного ядра

В 1919 г. Э. Резерфорд установил, что в состав атомного ядра входят протоны. В 1932 г. ангийчкий физик Д. Чедвиг открыл нейтроны.

За время интенсивного изучения атомного ядра учеными были предложены следующие модели его строения:

Капельная (1936). Ядро - это капля заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих нуклонов. Поверхность капли ядра может колебаться, что приводит к делению ядер.

Оболочечная (1950). Нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из которых характеризуется определенной энергией.

Обобщенная (1950). Ядро состоит из сердцевины – устойчивой внутренней части и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом сердцевиной. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина может деформироваться, принимая форму вытянутого или сплюснутого эллипсоида.

Ядерные реакции

Возникает вопрос: но всегда ли может быть обеспечено равновесие в ядре? Не всегда. На уровне ядра возможно протекание различных ядерных процессов, к которым относятся α - и β -распад, деление и слияние ядер.

α-распад

При α -распаде из ядра вылетают ядра атома гелия, т.е. α -частицы. α - распад присущ только тяжелым элементам. При α -распаде ядро выбрасывает свою составную часть. Предполагают, что 2 нейтрона и 2 протона «слипаются» непосредственно перед вылетом.

β -распад

Если число нейтронов больше, чем протонов, то некоторое количество нейтронов, не успев провзаимодействовать с протонами, распадается по схеме:

n = p + e− +ν e (протон + электрон + антинейтрино)

Если протонов больше, чем нейтронов, то протон превращается в нейтрон: P = n + e+ +ν e (нейтрон + позитрон + нейтрино)

Но протоны же устойчивые элементарные частицы, так почему же протон распадается? Оказывается, и здесь свою роль сыграло соотношение неопределенностей. Соотношение неопределенностей снимает запрет с распада протона, находящегося в ядре.

28

Деление ядер

Делением ядра называется процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемыми осколками деления. В результате деления могут возникать также альфа-частицы, нейтроны и гаммакванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер – экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Слияние ядер

Слияние ядер возможно в основном в легких ядрах. Слияние ядер осуществить очень сложно, т.к. ядра заряжены одноименно и при их сближении действуют силы отталкивания. Но если уж удается преодолеть электрические силы и свести ядра настолько близко, что в силу вступают короткодействующие силы, то они подавляют силы отталкивания. Т.о. важно сблизить ядра. Для сближения ядер можно нагреть реакционную смесь до очень высоких температур

Практическая реализация ядерных реакций

Атомная электростанция

Электричество вырабатывается на электростанциях, в том числе и на атомных (АЭС). Основной элемент атомной электростанции – ядерный реактор. В нём протекает цепная ядерная реакция, в результате которой выделяется тепло. Реакция эта управляемая. На АЭС в качестве первичного источника энергии используют энергию, выделяющуюся при делении ядер урана-235.

Деление урана в естественных условиях очень медленно. Но в реакторе АЭС этот процесс ускоряется за счет стимулирования его нейтронами, возникающими при делении соседних ядер.

При распаде урана-235 происходит выделение тепла, сопровождаемое выбросом двух-трех нейтронов. Эти нейтроны сталкиваются с другими атомами урана. Распад урана-235 (U235)под воздействием нейтронов (n01) можно записать в виде следующей схемы:

U235 + n01→ U236 → Kr92 + Ba141 + 3 n01 + Е(nγ +Q)

При столкновении с нейтронами атомы урана-235 превращается в нестабильные изотопы U236. Эти изотопы сразу же распадаются на изотопы Kr92

29

(элемент №36 криптон) и Ba141 (элемент №56 барий). При этом выделяются 2-3 нейтрона и энергия в виде гамма-излучения (γ) и тепла (Q).

Этот процесс называется цепной реакцией. Если этим процессом не управлять, то количество распадов атомов урана-235 увеличится в геометрической прогрессии, что приведет к молниеносному высвобождению огромного количества энергии, произойдет атомный взрыв, как последствие неуправляемой цепной реакции.

Известно, что уран в природе встречается в виде двух изотопов – уран235 и уран-238. Причем, природный уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Почему же в ядерных реакциях используют уран-235? Причина в следующем: уран-238 при поглощении нейтронов не выделяет новые нейтроны, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний239, и наконец – в относительно стабильный плутоний-239.

Но в ядерном топливе должно быть не ниже 80 % урана-235, иначе уран238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается.

Ядерная реакция, протекающая в атомном реакторе, является управляемой. Для того чтобы понять как управляют ядерной реакций, рассмотрим устройство ядерного реактора.

Ядерный реактор промышленного типа представляет собой котел, сквозь который протекает теплоноситель. В качестве теплоносителя используют обычную воду (75%), в некоторых случаях – жидкий графит (20%) и тяжелую воду (5%).

Активная зона реактора состоит из сотен, вертикально поставленных и объединенных вместе металлической оболочкой кассет. Каждая кассета включает несколько десятков тепловыделяющих элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛ – это стержни в оболочке из циркония легированного ниобием, внутри ТВЭЛ находятся таблетки из диоксида урана. Ядерная реакция возможна только при определённой (критической) массе топливного стержня. Масса каждого стержня в отдельности ниже критической. Реакция начинается, когда все стержни находятся в активной зоне.

Теплоноситель протекает по каналам кассет. Между кассетами вставлены управляющие стержни и стержни аварийной защиты реактора, которые в случае перегрева призваны заглушить реактор. Управляющие стержни могут пере-

30

мещаться вверх и вниз, погружаясь или выходя из активной зоны. Погружая и извлекая управляющие стержни, реакцией можно управлять.

Стержни аварийной защиты призваны заглушить реактор в случае нештатной ситуации, упав в активную зону и поглотив больше количество свободных нейтронов.

Каждый реактор имеет крышку, через которую производится погрузка и выгрузка отработавших и новых кассет.

Поверх корпуса реактора обычно устанавливается теплоизоляция. Следующим барьером идет биологическая защита. Это, как правило, железобетонный бункер, вход в который закрывается шлюзовой камерой с герметичными дверьми. Биологическая защита призвана не выпустить в атмосферу радиоактивный пар и куски реактора, если все-таки произойдет взрыв.

Работа атомной электростанции заключается в том, что вода поступает в активную зону реактора, нагревается до 250-300оС, и выходит из реактора в виде пара. Затем пар под давлением поступает на лопатки турбин. Турбины вырабатывают электричество.

Реактор на быстрых нейтронах

В30 странах мира сейчас работает около 440 ядерных реакторов, которые обеспечивают производство около 17% всей электроэнергии, вырабатываемой в мире. Однако, по мнению ученых, быстро растущая атомная энергетика, основанная на современных «тепловых» ядерных реакторах, используемых на действующих и строящихся АЭС, неизбежно уже в текущем столетии столкнется с нехваткой уранового сырья так как топливом для этих станций является редкий изотоп урана-235. Поэтому в структуре крупномасштабной атомной энергетики важная роль отводится реакторам на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом. Они позволяют почти в 100 раз повысить эффективность использования естественного урана и, тем самым, снять ограничения на развитие атомной энергетики со стороны природных ресурсов ядерного топлива.

Как работает реактор на быстрых нейтронах?

Вактивной зоне такого реактора находятся стержни из чистого урана-235 без замедлителя. Вокруг активной зоны в зоне воспроизводства располагаются кассеты со стержнями урана-238. Цепная реакция на быстрых нейтронах происходит в активной зоне реактора. При этом часть нейтронов вылетает из активной зоны в зону воспроизводства. Ядра урана-238 захватывают нейтроны и превращаются в плутоний. Плутоний накапливается в зоне воспроизводства.