16. Физика атомного ядра

Открытие и исследование радиоактивности (Кюри, Резерфорд и другие).

1895 г. – открытие рентгеновского излучения (Вильгельм Рентген)

1896 г. – Анри Беккерель обнаружил излучение соли урана (из атома выделяется большое количество энергии).

Пьер и Мария Кюри обнаружили целый ряд излучающих элементов: полоний (1890-е гг.), радий (светится в темноте, как фосфор) – радиоактивные элементы.

Р езерфорд: 1900-е гг. – проводил эксперименты, позволяющие понять природу радиоактивного излучения:

β-лучи (электроны)

γ-лучи (самый короткий вид электромагнитного излучения)

α-лучи (ядра атома гелия)

1903 г. – Бор и Содди – теория радиоактивности:

♦ радиоактивность – это результат самопроизвольного превращения одних элементов в другие;

♦ эти превращения сопровождаются излучением, энергия для которого берется из самого атома  атом делим.

♦ α-распад: (получается элемент, находящийся в период. таблице на 2 клетки назад)

♦ β-распад: на 1 клетку вперед.

Встал вопрос о строении атома и ядра.

Строение атомных ядер, энергия связи нуклонов, дефект массы.

Дж. Чедвик: протонно-нейтронная теория: ядро состоит из протонов (p⁺) и нейтронов (n⁰) – нуклоны.

1940 г. – капельная модель ядра Нильса Бора: атомное ядро подобно капле с положительным зарядом.

«Сильные» силы скрепляют ядро, делают его прочной конструкцией.

Z – число протонов в ядре (зарядовое число)

A – сумма протонов и нейтронов

N – число нейтронов

Например: , (изотопы).

Энергия связи нуклонов в ядре

E_св=Δm∙c²

Наибо́льшая прочность – в середине таблицы (Ni, Fe), а у тяжелых элементов начинает ослабевать.

Часть массы расходуется на эту связь – получается дефект массы (объясняется теорией относительности Эйнштейна).

Дефект массы - разность между суммой масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов) и массой покоя атомного ядра, выраженная в атомных единицах массы.

m_я < Z∙m_p + N∙m_n

Δm=(Z∙m_p + N∙m_n) - m_я

Дефект небольшой (≈0,07%): звезды теряют свое вещество, превращая его в энергию.

Альфа- и бета- распад, закон радиоактивного распада.

Альфа-распад (α-распад) – это самопроизвольный распад ядра, когда из ядра вылетает α-частица (порядковый номер продукта уменьшается на 2 единицы).

γ – фотон (гамма-квант).

Распад урана заканчивается превращением в свинец.

Бета-распад (β-распад) – из ядра вылетает электрон; появление электрона связано с распадом нейтрона.

Заряд ядра повышается на 1 единицу.

Бета-распад может также сопровождаться гамма-излучением (гамма-квант).

Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад – статистический процесс (нельзя сказать, какие именно атомы распадутся; но можно с точной достоверностью сказать, сколько атомов распадется).

Период полураспада – промежуток времени, за который распадется половина первоначального числа атомов.

Различные элементы имеют разные периоды полураспада (у урана – 4 млрд. лет, радий – 6 тыс. лет)

С каждым периодом полураспада количество атомов остается в 2 раза меньше от предыдущего.

N₀ – начальное число частиц

t – время от начала распада

T_1/2 – период полураспада

На период полураспада не влияют никакие факторы.

Цепная реакция деления урана и её применение (Ферми, Оппенгеймер и другие).

Энрико Ферми́ (1930-е гг.) – бомбардировка ядер нейтронами (они не имеют заряда  легко попадают в ядро).

1938 г. – радиохимики О. Ганн и Ф. Штрассман обнаружили явление искусственного распада урана (при бомбардировке нейтронами)  появление щелочноземельных металлов.

Реакция деления ядра урана на 2 неравных осколка:

- короткоживущий изотоп

Ядро возбуждается начинает растягиваться, силы Кулона начинают превосходить силы ядерного притяжения силы Кулона разрывают ядро на 2 части; образуются 2 нейтрона, которые вызывают деление 2 ядер…4…  самопроизвольная реакция деления урана  взрыв колоссальной силы  начались работы по созданию ядерного оружия

♦ 1939-1940 гг. в Америке – Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы – Энрико Ферми, Р. Оппенгеймер и др.;

♦ декабрь 1942 г. – под руководством Ферми – первый уран-графитовый реактор (управляемая реакция): урановые стержни, между ними тонны чистого графита (углерод поглощает нейтроны);

♦ лето 1945 г. – Оппенгеймер - в Лос-Анджелесе (Калифорния) – урановая бомба;

♦ август 1945 г. – США испытали урановую и плутониевую бомбы (Хиросима, Нагасаки);

♦ немецкий физик Клаус Фукс передавал сведения агентам СССР;

♦1943 г. – начало работ по созданию атомной бомбы в СССР: Казань  Москва (Тушино – лаборатория №2 – И. Курчатов, Ю. Харитон, Флёров, Арцимович, партийное руководство – Л. Берия).

- нужно получить уран (уран-235): химическими средствами изотопы 238 и 235 нельзя получить; можно опереться на разность атомного веса (центрифугирование);

- нужно создать реактор, превратить уран в плутоний (его можно отделить химически), из плутония – сделать заряд;

- Арзамас-16 (разработали боеприпасы);

- Челябинск-70 (находились реакторы UPl);

- первый пуск реактора – дек. 1946 г. (Москва);

- первый взрыв плутониевой бомбы – август 1949 г. (полигон под Семипалатинском).

Реакции термоядерного синтеза, водородная бомба (Теллер, Сахаров и другие).

Э. Теллер (1952 г.): атолл Бикини – завод по созданию сжиженного водорода.

В СССР – И. Тамм, А. Сахаров, Гинзбург (термоядерный синтез).

Реакции термоядерного синтеза происходят при высокой температуре: T≥10⁷ К (горячая плазма)

Как нагреть до такой температуры? Поместить урановую бомбу в водород.

56 Мт в тротиловом эквиваленте (взрывная волна обошла земной шар несколько раз; у Земли возникло второе магнитное поле).

1963 г. – договор о запрете испытаний в атмосфере.

Обнинск (1954 г.) – первая атомная электростанция

Сегодня в мире в развитых странах ≈50-75% энергии производится на АЭС.

Перспективы термоядерной энергетики.

Ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу.

СССР создавал установки «Токамак»

Термоядерная энергетика - это потенциальный кандидат для базовой энергетики; для нее имеются практически неограниченные запасы топлива и других материалов, используемых при производстве энергии. Безопасность термоядерного реактора на много порядков превосходит безопасность ядерных электростанций. Основным недостатком термоядерных реакторов является технологическая сложность осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции.

Проект международного реактора-«токамака» ITER показал, что такая машина может быть построена при современном уровне развития технологии и будет способна провести физические и ядерно-технологические испытания, необходимые для создания первой опытной термоядерной электростанции.

В настоящее время проектирование реактора ITER полностью закончено и выбрано место для его строительства - исследовательский центр Кадара́ш на юге Франции, в 60 км от Марселя.

Планируется, что в 2019 г. - начало экспериментов; 2026 г. - первые реакции термоядерного синтеза; 2037 г. - конец экспериментальный части; после 2040 г. реактор станет производить электроэнергию (при условии успешных экспериментов).

Приход термоядерной энергетики на смену ядерной неизбежен.