Заняття № 58 ____________2011р.

Тема: Будова атомного ядра.

Засоби спостереження і реєстрації заряджених частинок. Радіоактивність як явище, що підтверджує складну будову ядра атома. Поняття про енергію і проникаючу здатність радіоактивного випромінювання. Ефект Вавілова-Черенкова. Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона. Склад атомного ядра. Ізотопи. Ядерні сили. Дефект маси атомного ядра. Енергія зв'язку. Склад космічного випромінювання. Відкриття позитрона і нейтрино. Елементарні частинки; їхня сучасна класифікація. Античастинки. Взаємні перетворення речовини і поля. Поділ важких атомних ядер, ланцюгова реакція поділу Відкриття трансуранових елементів.. Ядерний вибух. Керована ланцюгова реакція.. Ядерні реактори . АЕС, реакція синтезу ,проблеми екології. Ядерний реактор. Успіхи і перспективи розвитку ядерної енергетики. Баланс енергії при синтезі ядер гелію. Поняття про термоядерну реакцію. Енергія Сонця і зірок. Одержання радіоактивних ізотопів і їхнє застосування в медицині, промисловості, сільському господарстві.

Основні положення та означення.

1 Склад та характеристики ядра . Згідно з гіпотезою Д.Д. Іваненко (1932р.), що є тепер загальновизнаною, атомні ядра всіх елементів складаються з протонів та нейтронів.

Протон ( ) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, та масу , кг. Нейтрон не має електричного заряду. Його маса кг. Загальна назва цих частинок – нуклони.

2. Масу ядер та елементарних частинок прийнято визначати в атомних одиницях маси (а.о.м.). За одну а.о.м. приймають 1/12 маси атома вуглецю . .

3. Однією з найважливіших характеристик атомного ядра є зарядове число . Воно дорівнює кількості протонів, що входять до складу ядра, і визначає його заряд: . Водночас число є порядковим номером хімічного елемента в періодичній таблиці Менделєєва.

4 .Число нуклонів у ядрі позначається і називається масовим числом ядра. Число нейтронів у ядрі дорівнює .Для позначення ядер використовується

де — символ хімічного елементу.

5.Ядра з однаковим та різними називають ізотопами.

6 . У першому наближенні ядро можна вважати кулею, радіус якої досить точно визначається формулою

З наведеної формули витікає, що обєм ядра є пропорційним числу нуклонів у ядрі.

7 Ядерні сили Сили притягання, які утримують нуклони в ядрі, називаються ядерними. Основні властивості:

1. Ядерні сили є короткодіючими, радіус їх дії см.

2. Ядерним силам властива зарядова незалежність, тобто вони однаково діють між двома протонами, двома нейтронами та протоном і нейтроном.

3. Ядерним силам властиве явище насичення. Кожний нуклон взаємодіє з обмеженою кількістю нуклонів.

Згідно з сучасними уявленнями, сильна взаємодія (ядерні сили) обумовлена тим, що нуклони віртуально обмінюються елементарними частинками — мезонами. Зазначимо, що в квантовій механіці віртуальними називають частинки, які не можна виявити за час їх існування.

8 . Дефект маси, енергія звязку Точні мас-спектрографічні вимірювання показують, що завжди маса атомного ядра менша за суму мас , відокремлених один від одного нуклонів ( з яких складається ядро). Різниця називається дефектом маси.

С ума мас розрізнених нуклонів дорівнює

Згідно з теорією відносності маса повязана з енергією спокою

.

Отже для розєднання нуклонів, які входять до складу ядра, необхідно затратити енергію

я ка називається енергією звязку ядра. Формула вказує на те, що енергія звязку пропорційна числу нуклонів, з яких складається ядро і зростає з ростом .

9 Радіоактивність (самовільні ядерні реакції)

Радіоактивністю називають самовільне (спонтанне) перетворення одних атомних ядер в інші, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок. До радіоактивних процесів відносять -розпад, -розпад і -випромінювання, спонтанний поділ важких ядер, протонну радіоактивність.

10. Для окремо взятого ядра можна вказати лише ймовірність розпаду за даний проміжок часу. Кількість ядер, що розпалися за час t визначається

де — кількість ядер на момент . Формула виражає закон радіоактивного перетворення: число ядер, що не розпалися на даний момент часу, зменшується з часом за експоненціальним законом.

11. Швидкість розпаду характеризується активністю препарату . Одиницею активності є

12.Кількість ядер, що розпалася за час визначається формулою .

13.Проміжок часу, за який розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом напіврозпаду . Згідно з визначенням через час залишиться ядер. Таким чином, після логарифмування отриманої формули, матимемо вираз який повязує сталу розпаду з періодом напіврозпаду даного елемента.

14. Досить часто ядра, які виникають в результаті радіоактивного перетворення початкового ядра, теж виявляются радіоактивними. Нові потоки розпаду також можуть бути радіоактивними і т.д. В результаті виникає цілий ряд радіоактивних перетворень. В природі існує три радіоактивних ряди, родоначальниками яких є (ряд урану), (ряд торію) та (ряд актиноурану). Кінцевими продуктами в усіх трьох випадках є ізотопи свинцю, відповідно , , .

15. Альфа – розпад протікає за схемою .

Буквою позначено хімічний символ материнського ядра. Буквою символ дочірнього ядра. ( При -розпаді випромінюються -промені – потік ядер гелію. Дочірні ядра, як правило, випромінюють -промені. Зі схеми видно, що атомний номер дочірнього ядра на 2 одиниці, а масове число на 4 одиниці менше ніж у початкового ядра. Таким чином, при -розпаді хімічний елемент зміщується в періодичній системі на два номери ліворуч, а його масове число зменшується на 4 одиниці. Кінетична енергія -частинок, що випромінюються при -розпаді, затрачується на іонізацію молекул середовища, врешті решт вони зупиняються. Їх пробіг у повітрі складає лише кілька сантиметрів).

16. Бета-розпад має три різновиди. В одному випадку перетворення ядра супроводжується емісією електрона ( ), в другому – позитрона ( -частинкою, що має масу електрона та позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона), в третьому – ядро поглинає електрон.

Перший вид розпаду протікає за схемою ,

де — символ антинейтрона.

( При цьому дочірнє ядро має атомний номер на одиницю більший, ніж у материнського, масові числа у обох ядер однакові. Отже при -розпаді елемент зміщуєтья в періодичній системі на один номер праворуч без зміни масового числа. Іонізуюча здатність -частинок (електронів) в середньому у 100 разів менша ніж у -частинок, а проникна здатність у стільки ж разів більша. Побіг -частинок високої енергії досягає у повітрі 40м, в біологічній тканині – 5 см.)

17. Гамма-промені виявляють жорстке електромагнітне випромінювання -потік-фотонів високої частоти( Гц). Енергія -фотонів сягає 1МеВ.

(Поглинання гама-квантів у речовині обумовлене здебільшого трьома процесами: фотоефектом, ефектом Комптона, та утворенням електронно – позитронних пар. Останній процес полягає в тому, що -фотон, який має енергію МеВ, пролітаючи поблизу атомного ядра, може (під впливом поля ядерних сил) перетворитися на пару – електрон – позитрон. Іонізуюча здатність -променів невелика; в повітрі вона має порядок 100 пар іонів (в средньому 1-2 пари іонів на 1см пробігу). Гамма-промені є одним з найбільш проникаючих випромінювань. Жорсткі -промені проходять через шар свинцю товщиною 5 см або через шар повітря товщиною кілька сот метрів; людське тіло вони пронизують наскрізь. )

18. Вимушені ядерні реакції. Ядерною реакцією (вимушеною ядерною реакцією) називається процес сильної взаємодії ядра з елементарною частинкою, або з іншим ядром, що викликає перетворення ядра (або ядер). Слід зазначити, що принципова різниця між явищами радіоактивності, , та явищами, що протікають при вимушених ядерних реакціях полягає в тому, що в першому випадку процеси перетворення ядер виникають самовільно без будь-якого зовнішнього впливу. В другому випадку перетворення відбувається в результаті взаємодії ядра з елементарними частинками або іншими ядрами.

1 9. Взаємодія ядра з частинкою призводить до виникнення в результаті перетворень ядра та частинки в: Рівняння таких реакцій записують скорочено у вигляді

Частинками і можуть бути нейтрон ( ), протон ( ), дейтрон ( ), -частинка ( ) та -фотон ( ).

20.Вимушені ядерні реакції можуть супроводжуватися як виділенням, так і поглинанням енергії. Енергія реакції визначається різницею мас початкових та кінцевих ядер. Якщо , реакція іде з виділенням енергії, якщо — з поглинанням енергії. (Реакції, які спричиняються частинками невеликої енергії, проходять у два етапи: спочатку ядро захоплює частинку , виникає проміжне ядро, а потім за короткий проміжок часу с. проміжне ядро розпадається, випромінюючи частинку . Реакції, які викликають частинки високої енергії, протікають без виникнення енергії проміжного ядра і називаються прямою ядерною взаємодією. )

20. Важливе значення в ядерній фізиці мають реакції, які спричиняють нейтрони. На відміну від заряджених частинок нейтрони не зазнають кулонівського відштовхування. Завдяки чому можуть проникати в ядра, маючи дуже малу енергію. Класичним прикладом реакції поділу є розпад актиноурану на ізотопи криптону та барію з випромінюванням трьох нейтронів

,

при цьому виділяється енергія, що приблизно дорівнює 200МеВ, причому 80% її виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків та 20% припадає на енергію миттєвих нейтронів. Енергія, яка виділяється в результаті поділу всіх ядер, що містяться в 1кг , дорівнює кількості енергії, що виділяється при згоранні кг бензину.

( Слід, однак, зазначити, що для виділення великої кількості енергії, необхідно, щоб поділу зазнала значна частина ядер, які містяться в масі “ядерного палива. Тому реакція повинна бути самопідтримною, або ланцюговою, при кожному акті поділу повинні з`являтися нові нейтрони, які б викликали наступні акти поділу. Однак не всі нейтрони, які виникли в результаті чергового акту поділу, викликають поділ інших ядер. Частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, які погано, або зовсім не діляться, частина нейтронів вилітає з ядерного палива, не зустрівшись з ядрами. Таким чином, реакція згасає. Розвиток ланцюгової реакції кількісно характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів , який вимірюється відношенням числа нейтронів , які спричиняють поділ на -му етапі реакції до числа нейтронів , які викликають поділ на попередньому ( )-му етапі реакції.

Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, у тому числі, від природи, кількості речовини та геометричної форми її об`єму. Одна й та ж кількість ядерного палива має найбільше значення , якщо вона має форму кулі. В цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню, що обмежує об`єм, буде мінімальною, бо куля має мінімальну поверхню при даному об`ємі.

Мінімальна маса ядерного палива, в якій ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом , називається критичною масою.

Якщо маса ядерного пального менша за критичну ( ), ланцюгова реакція загасає. Якщо маса пального дорівнює критичній ( ), ланцюгова реакція йде з постійною інтенсивністю. Якщо ж маса більша за критичну ( ), то реакція швидко розвивається, що може призвести до вибуху. Реакція з здійснена в атомній (ядерній) бомбі. Ядерний заряд такої бомби являє собою два або більше шматків чистого або , сума мас яких більша за критичну. Маса кожного з шматків – менша за критичну. Для того, щоб якомога більша частина ядер встигла прореагувати при вибусі, необхідно швидко з‘єднати окремі шматки в один. Цього досягають за рахунок вибуху хімічної речовини. Під час вибуху вивільняється величезна кількість енергії і температура продуктів вибуху досягає мільйонів градусів. Значна частина палива забруднює навколишнє середовище радіоактивними речовинами на довгі роки. В подальшому це забруднення розповсюджується завдяки повітряним та водяним течіям.)