Механика. Кинематика. Динамика. Молекулярная физика

,

а масса протона

.

Нейтроны и протоны, составляющие ядро, называются нуклонами. Между нуклонами в ядре действуют силы, удерживающие из на малом расстоянии друг от друга - ядерные силы. Ядерное взаимодействие гораздо сильнее кулоновского и гравитационного взаимодействий. Ядерные силы - короткодействующие, это значит, что они действуют только на малых расстояниях порядка размеров ядра, т.е. на . Общее число нуклонов в ядре равно числу целых единиц атомной массы элемента и называется массовым числом А. Число протонов в ядре обозначается буквой и называется зарядовым числом. Очевидно, что число нейтронов в ядре равно . Элемент принято обозначать , где - символ химического элемента.

Ядра одного и того же химического элемента, содержащие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. Например, водород имеет три изотопа: , , . Если подсчитать суммарную массу частиц, составляющих ядро, и сравнить ее с массой ядра, то оказывается, что первая больше второй. Разность этих масс

называется дефектом массы. Из формулы Эйнштейна, связывающей массу и энергию

,

определим энергию, необходимую для того, чтобы разделить ядро на составляющие его частицы - энергию связи:

.

На рис. 22.2 представлен график зависимости удельной энергии связи (энергии связи на один нуклон) от массового числа А. Видно, что наиболее стабильными являются ядра с А = 56. Анализ графика зависимости от А показывает, что возможно выделение энергии при синтезе (соединении) легких ядер или при делении тяжелых. Первая реакция называется реакцией термоядерного синтеза, так как для того, чтобы ядра приблизились друг к другу на расстояние меньше и преодолели силы кулоновского отталкивания, они должны иметь очень большую энергию. Энергия, выделяемая при термоядерной реакции соединения дейтерия с тритием , составляет 3,5 . Эта реакция имеет вид

. (22.8)

Наиболее распространенной реакцией деления является деление ядер урана . Запишем типичную реакцию деления:

. (22.9)

Ядро урана сначала поглощает нейтрон, образуя промежуточное ядро , существующее , затем ядро распадается на два осколка. Реакция деления происходит практически мгновенно.

При реакции деления на один нуклон приходится энергия, равная 1 МэВ. Выделяющиеся при реакции деления нейтроны могут поглощаться другими ядрами, что вызывает дальнейшие реакции деления. Так происходит цепная реакция, при которой выделяется огромная энергия (атомная бомба). В ядерном реакторе осуществляется управляемая реакция деления. Среднее число нейтронов при каждом акте деления, вызывающих деление других ядер, называется Коэффициентом размножения нейтронов . В реакторах ~ 1, при взрыве атомной бомбы . В ядерных реакторах используются стержни из кадмия, которые поглощают нейтроны и поддерживают реактор в рабочем состоянии. Если стержни вынуть, то произойдет цепная реакция, если их вставить полностью, то реакции деления прекращаются.

адиоактивность

В природе существуют нестабильные ядра, которые превращаются в ядра других элементов, при этом происходит излучение. Известны три вида радиоактивного излучения: -, - и -излучение. -лучи - это поток ядер гелия .

Примером -распада является превращение радия в радон:

. (22.10)

Дочернее ядро возникло из материнского ядра радия.

Отметим, что при всех ядерных превращениях (22.8) - (22.10) сохраняются массовые и зарядовые числа. При всех ядерных превращения выполняются все известные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, заряда, а также закон сохранения нуклонов. При -распаде происходит излучение электронов. Пример -распада - распад ядра углерода:

.

Дополнительная частица - антинейтрино - обеспечивает выполнение фундаментальных законов сохранения энергии и импульса. При -распаде не происходит превращение одного элемента в другой. При -распаде ядро теряет положительный заряд, равный , и в результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы элементов; при -распаде элемент смещается на одну клетку к концу периодической системы элементов. Приведенные выше правила называются правилами смещения.

При поглощении частиц стабильными атомными ядрами они могу стать радиоактивными. Такая радиоактивность называется искусственной.

Например, при поглощении ядрами алюминия -частиц образуется радиоактивный изотоп фосфора, который затем распадается, испуская позитрон (античастица электрона):

,

.

Закон радиоактивного распада

Основная характеристика радиоактивного вещества - период полураспада. Это промежуток времени, за который распадается половина имеющихся радиоактивных ядер. За период полураспада радиоактивность снижается в 2 раза. Следовательно, через число ядер будет равно , через следующий промежуток времени число ядер будет равно и т.д. Через промежуток времени число ядре будет равно

,

или

.

Этот закон выражает основной закон радиоактивного распада.

Размещено на Allbest.ru