5. Газовый лазер

Газовые лазеры – это лазеры непрерывного действия. Работают они на четырех уровнях энергии. Усиливающей средой служит плазма высокочастотного газового разряда, полученная в смеси гелия с неоном ( , мм.рт.ст., мм.рт.ст). вследствие соударения с электронами атомы гелия переходят в возбужденное состояние (рис.9).

Рис.9.

При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона последние возбуждаются и переходят на один из верхних уровней неона, близко расположенных к соответствующему уровню гелия. Переход атомов неона с этого уровня на один из нижних сопровождается с излучением лазера.

Лекция 14 Атомное ядро и основы ядерной энергетики

1. Состав и характеристики ядра

Людей всегда интересовал вопрос из чего состоит материя. Еще до новой эры считалось, что вещества состоят из неделимых частиц – атомов. Открытие электрона и опыты Резерфорда по рассеянию -частиц указали на сложное строение атома. Отдельные -частицы отклонились на угол , что свидетельствовало о том, что в атоме существует сконцентрированный положительный заряд. Резерфорд предложил планетарную модель атома. В центре атома сосредоточена основная его масса и весь положительный заряд. Эта область атома получила название ядра.

Размеры атома м, а размеры ядра м масса ядра составляет массы атома. В нейтральном атоме электронов. Заряд ядра положительный и кратен элементарному заряду Кл. Заряд ядра можно представить как , где - зарядовое число, оно совпадает с химическим номером таблицы Менделеева и равно числу протонов, входящих в ядро.

Второй важнейшей характеристикой ядра является его масса. Масса ядра оказалась больше суммы масс протонов, входящих в ядро. Было сделано предположение, что в состав ядра входят нейтральные частицы. В 1932 году Чедвиг открыл нейтроны. Иваненко и Гейзенберг предложили протонно-нейтронную теорию ядра. Ядро расщепляется на протоны и нейтроны. Они называются нуклонами. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом . Общее число нейтронов равно . Масса покоя протона равна кг, масса нейтрона равна кг.

Ядро химического элемента обозначают тем же символом, что и нейтральный атом , где - атомный номер (заряд ядра), - массовое число (число нуклонов в ядре). Ядра с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым, называются изотопами (изотопы различаются числом нейтронов). Ядра с одинаковым массовым числом, но с разным зарядовым, называются изобарами.

Водород имеет три изотопа: - протий, - дейтерий, - тритий.

Пример изобар: , , .

Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами, определяемые структурой электронных оболочек, которые одинаковы для всех изотопов.

Радиус ядра задается эмпирической формулой: , где м. Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре ( ), поэтому плотность ядра одинакова для всех веществ.

2. Энергия связи и дефект масс

Экспериментально установлено, что энергия ядра меньше, чем энергия частиц, из которых оно состоит ( ). Поэтому для расщепления ядра на составные части нужно затратить энергию. Энергия, которую нужно затратить для расщепления ядра, называется энергией связи ядра.

Точные масс-спектроскопические измерения показали, что масса ядра меньше массы составляющих его нуклонов. Но так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии ( - скорость света), то при образовании ядра должна выделяться энергия. Из закона сохранения энергии следует, что для расщепления ядра на составные части необходимо затратить столько же энергии, сколько ее выделяется при его образовании. Энергия связи является одной из важнейших величин, характеризующих прочность ядра. Итак, энергия связи равна: , где - энергия всех нуклонов, - энергия ядра.

.

(1)

Следовательно

.

Эта величина называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса ядра при образовании его из нуклонов. Часто вместо энергии связи используют удельную энергию связи. Это энергия связи, приходящаяся на один нуклон . Она характеризует устойчивость атомных ядер. Чем она больше, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа (рис.1).

Рис.1.

Для легких ядер ( ) удельная энергия связи круто возрастает до МэВ, затем медленно возрастает до максимальной величины МэВ для элементов с , потом постепенно уменьшается у тяжелых элементов (для - 7,6 МэВ). Для сравнения энергия связи валентных электронов в атоме равна 10эВ, то есть в раз меньше.

Наиболее устойчивы ядра у средних элементов таблицы Менделеева, тяжелые и легкие менее устойчивы. Отсюда следует, что энергетически выгодны следующие процессы:

1. деление тяжелых ядер на более легкие с выделением атомной энергии.

2. слияние легких ядер в более тяжелые с выделением термоядерной энергии.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии.