Атомное ядро

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

тема: «Атомное ядро»

Москва 2014г.

Введение

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размеры атома в 10000 раз превосходят размеры ядра (порядок величин Ra= 10 - 8 см, Rя= 10 - 12 см). Ядро состоит из протонов и нейтронов и имеет положительный заряд, равный суммарному заряду всех электронов, входящих в нейтральный атом. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена Д. Д. Иваненко и В. Гейзенбергом в 1932 г. Число протонов в ядре определяет химические свойства элемента и фактически определяет сам элемент. В настоящее время открыто 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно. Не все из 118 элементов официально признаны - в лабораториях проводятся проверки и уточнения их свойств. Некоторые из полученных элементов являются нестабильными и быстро распадаются. Большинство нестабильных элементов в природе не встречаются и открыты искусственно в лабораториях.

1. Характеристики ядра

Ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (от nucleus - ядро). Дадим краткую характеристику нуклонов.

Протон: масса , спин s=1/2, собственный магнитный момент

Где Дж/Тл

- единица, магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Видно, что магнетон Бора связан с ядерным магнетоном соотношением . Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Протон является стабильной частицей (в последние десятилетия разрабатывается теория, учитывающая возможный распад протонов, с периодом полураспада 10 40 с).

Нейтрон: масса , спин s=1/2, собственный магнитный момент , электрическим зарядом нейтрон не обладает. Удивительным является тот факт, что нейтрон обладает собственным магнитным моментом, не имея электрического заряда (напомним, что магнитное поле создается движущимися зарядами или изменением электрического поля).

Нейтроны нестабильны и распадаются по схеме

п > р + е - +

превращаясь в протон р, испуская электрон е-, и антинейтрино . Период полураспада нейтрона составляет ~ 12 мин.

Зарядовым числом Z называют количество протонов, входящих в ядро. Для нейтрального атома оно равно числу электронов, содержащихся в атоме. Электрический заряд ядра равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химического элемента, поэтому его иногда называют атомным номером ядра.

Массовым числом ядра А называют число нуклонов в ядре. Следовательно, число нейтронов в ядре определяется формулой

N=A - Z

Для обозначения ядер применяется символ , где под Х понимается химический символ данного элемента. Например, обычный водород имеет обозначение , кислород , азот .

Изотопами называют ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но разными А. Например, водород имеет три изотопа: - протий (обычный водород), - дейтерий, - тритий (для последних двух изотопов иногда используют обозначения D и T). У кислорода имеется три стабильных изотопа: , , . Химические и физические свойства изотопов довольно близки (кроме, может быть, водорода).

Изобарами называют ядра с одинаковыми массовыми числами А. Например, , , . Химические свойства изобаров могут сильно различаться.

Изотонами называют ядра с одинаковым числом нейтронов N (, ).

Изомерами называют ядра с одинаковыми значениями Z и А, но различающиеся периодом полураспада (два изомера имеют периоды полураспада 18 мин и 4,4 часа). Различие периодов полураспада связано с различием структуры ядер изомеров.

Сейчас известно около 1500 ядер, отличающихся либо Z , либо А, либо тем и другим.

В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого определяется формулой

R=1,3·10 - 15 A1/3 м.

Отсюда видно, что объем ядра пропорционален числу нуклонов. Масса ядра также пропорциональна числу нуклонов. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и равна ~10 17 кг/м3. Это очень высокая плотность, тело с массой, равной массе Земли и обладающее такой плотностью, имело бы размеры шара радиусом ~ 400 м.

Ядро обладает спином, равным суммарному спину входящих в него нуклонов. Обычно спин ядра не превышает нескольких единиц. Это указывает на то, что в ядрах спины нуклонов располагаются антипараллельно.

2. Масса и энергия связи ядра

Для измерения массы в ядерной физике широко используется атомная единица массы (а.е.м.).

Атомной единицей массы называется масса, равная 1/12 массы атома углерода . Ее значение: 1 а.е.м.= тед = 1,66·10 - 27 кг.

Масса атома определяется выражением та = Мтед, где М - молярная масса атома.

В ядерной физике массу часто выражают через энергию, используя формулу Е=тс2. При этом 1 а.е.м. = 931,49 МэВ. Составим таблицу, содержащую массы и энергии основных элементарных частиц.

Частица	Масса (а.е.м.)	Энергия (МэВ)
Электрон	0,00055	0,511
Протон	1,00728	938
Нейтрон	1,00867	939,57

Масса ядра тя всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов. Т.к. масса связана с энергией соотношением Е=тс2, то дефект массы связан с образованием энергии взаимодействия между нуклонами.

Энергией связи ядра называется энергия, которую надо затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны. Для энергии связи можно записать

При вычислениях обычно вместо массы протона берут массу атома водорода, а вместо массы ядра - массу атома та. В этом случае формула принимает вид

Величина

называется дефектом массы ядра.

Пример 1. Вычислить энергию связи нуклонов в ядре гелия , состоящем из двух протонов и двух нейтронов.

Решение. Масса атома гелия

та = 4,00260 а.е.м.,

чему соответствует энергия 3728,0 МэВ.

Для атома водорода имеем

та = 1,00783 а.е.м. (938,51 МэВ),

для нейтрона

тп = 1,00807 а.е.м. (939, 57 МэВ).

Подставим эти величины в формулу для энергии связи

Есв = 2· 938,5+2·939,6 - 3728,0 = 28,4 МэВ.

Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон

?Есв=Есв /A.

Чем больше ?Есв , тем устойчивее ядро. Для гелия удельная энергия связи ?Есв = 28,4/4 = 7,1 МэВ. Отметим, что энергия связи валентных электронов в атомах ~ 10 эВ, т.е. почти в миллион раз меньше. Соответственно, энергия химических реакций во столько раз меньше энергии ядерных реакций.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа имеет вид, показанный на рисунке.

Это грубая схема. На самом деле при малых А зависимость имеет более сложный вид. Сильнее всего нуклоны связаны в ядрах с массовыми числами 50 - 60. Ядра с малыми А (А<40) и большими А (А>200) стремятся перейти в более устойчивые состояния, выделяя при этом большие количества энергии. Возможны два механизма получения ядерной энергии: для легких ядер - термоядерный синтез, для тяжелых - деление ядер на более легкие.

Отметим, что самопроизвольный переход ядер в состояния с максимальной энергией взаимодействия затруднен, т.к. ядро представляет для нуклонов потенциальную яму с высоким барьером. Для выхода из этой ямы необходимо передать нуклону огромную энергию, которая потом возвращается в форме излучения или высокой кинетической энергии нуклонов. На механизмах перехода от больших А к средним основана атомная энергетика, а на переходе от малых А к средним - термоядерная, которая пока находится в стадии разработки.

3. Ядерные силы и модели атомного ядра

Между нуклонами действуют особые силы, получившие название ядерных сил. Ядерное взаимодействие получило название сильного взаимодействия. Ядерные силы являются силами притяжения, имеют сложный характер и обладают следующими свойствами:

1) ядерные силы являются короткодействующими, их радиус действия ~10 -13 см, на расстояниях существенно меньших притяжение нуклонов сменяется отталкиванием. На расстояниях, меньших радиуса действия ядерные силы в 100 раз сильнее электрических;

2) ядерные силы не зависят от электрического заряда нуклонов (зарядовая независимость ядерных сил), из чего следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

3) ядерные силы не являются центральными, их величина и направление зависят от направления спинов нуклонов;

4) ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон может взаимодействовать только с ограниченным числом нуклонов. Это приводит к тому, что с ростом числа нуклонов удельная энергия связи нуклонов не растет, а остается постоянной.

Для описания атомного ядра необходимо знать силы, действующие между нуклонами и уметь решать задачу многих тел (А нуклонов). Существует несколько различных моделей ядра, предназначенных для описания различных свойств ядра. Рассмотрим несколько простейших моделей.

Капельная модель. Предложена Я. И. Френкелем и Н. Бором в 1939 г. Основана на сходстве ядра с капелькой жидкости: плотность вещества постоянная (вещество несжимаемо), силы короткодействующие, обладают свойством насыщения. В капельной модели вводится понятие поверхностного натяжения, учитывается электрический заряд вещества. В рамках этой модели получена формула для энергии связи, описан процесс деления тяжелых ядер и многие другие явления. Отличие этой модели от капли жидкости заключается в том, что эта капля является заряженной, между нуклонами действуют ядерные, а не электрические силы и движение частиц здесь описывается законами квантовой механики.

В рамках капельной модели можно объяснить деление ядер, механизмы ядерных реакций, получить выражение для энергии связи нуклонов. Однако более тонкие вопросы, например, устойчивость ядер, эта теория не объясняет.

Оболочечная модель. Развита Марией Гёпперт-Майер (США). Считается, что нуклоны движутся в центрально-симметричном поле. Имеются дискретные уровни энергии, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Образуются оболочки (уровни), содержащие определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки представляют устойчивое образование. Особо устойчивыми являются ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (магические числа). Такие ядра называют магическими. Модель хорошо описывает легкие и средние ядра, но малоприменима для описания взаимодействия ядер с элементарными частицами.

Существуют обобщенная модель ядра, оптическая и др. Различные модели описывают различные стороны ядерных взаимодействий. Единая теория ядра, как и теория сильных взаимодействий, пока не создана.

По современным представлениям сильные взаимодействия вызываются виртуальными частицами - пи-мезонами (пионами). Частицы называются виртуальными, если они не могут быть обнаружены экспериментально. Невозможность их обнаружения связана с принципом неопределенности Гейзенберга

Образование пи-мезонов происходит с нарушением закона сохранения энергии. Но продолжается этот процесс в течение очень короткого интервала

что не позволяет наблюдать его экспериментально.

Существуют положительные (?+), отрицательные () и нейтральные (?0) пионы. Заряженные пионы имеют заряд, равный заряду электрона и массу 273mе, время их жизни составляет ~10-8 с, а нейтральный пион имеет время жизни порядка 10 -16 с. Спин пионов равен нулю.

Нуклоны в ядре непрерывно обмениваются пионами по схеме:

распад ядерный реакция масса

.

В результате этих процессов протон часть времени проводит в виртуальном состоянии , а нейтрон - в виртуальном состоянии . Этим объясняется наличие магнитного момента у незаряженного нейтрона и аномально большой (2,79 ?я вместо 1?я) магнитный момент протона. Каждый нуклон в ядре окружен «облаком» виртуальных ?-мезонов. Поглощение этих ?-мезонов другими нуклонами, то есть обмен пионами и объясняет сильное взаимодействие между нуклонами. Возможные схемы взаимодействия нуклонов показаны ниже.

В схеме (а) возле протона возникает виртуальный -мезон, который затем поглощается нейтроном. При этом протон превращается в нейтрон, а нейтрон - в протон. Затем процесс обмена -мезоном происходит в обратном направлении. В ядерных реакциях участвуют , и -мезоны.

Отметим, что электромагнитное взаимодействие заряженных частиц также объясняется обменом взаимодействующих частиц виртуальными фотонами. Более детально вопросы взаимодействия элементарных частиц рассмотрим в следующей главе.

4. Радиоактивный распад

В 1896 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, производимое солями урана. Выяснилось, что этим свойством обладают многие тяжелые элементы.

Обнаруженное излучение назвали радиоактивным излучением, а само явление назвали радиоактивностью. Выяснилось, что радиоактивность связана с превращениями, происходящими в ядре.

Радиоактивное излучение бывает трех типов: ?- , ?- и ?- излучение. Их природа и особенности:

? - излучение - это поток ядер атомов гелия (? - частиц, или );

? - излучение - это поток электронов;

? - излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны ?<10 - 8 см (? -кванты).

?-Излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождает различные ядерные реакции. ?-Излучение испускается ядром при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. ?-Излучение имеет линейчатый спектр и является одним из аргументов в пользу оболочечной модели ядра. В определенной мере такая модель напоминает модель атома Бора, переходы нуклонов из одного уровня на другой сопровождаются -излучением. С помощью ?-излучения можно изучать внутреннюю структуру ядра. ?-Излучение обладает большой проникающей способностью и широко используется в дефектоскопии для обнаружения дефектов внутри твердых тел.

Все виды излучения при прохождении через вещество ослабляются. Для альфа- и бета-излучения изменение плотности потока частиц на расстоянии х описывается формулой

,

где - плотность потока частиц, падающих на поверхность вещества, ? - коэффициент поглощения. Изменение интенсивности гамма-излучения описывается аналогичной формулой

Коэффициенты поглощения можно выразить через параметры вещества (размеры ядер, их число в единице объема и пр.). Отметим, что формулы для поглощения аналогичны формуле Бугера.

Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно (существует искусственный радиоактивный распад). Найдем закон радиоактивного распада. Пусть ? - вероятность распада одного ядра за единицу времени. Тогда число ядер dN, распавшихся за время dt, определяется выражением

dN = - ?Ndt

Величину ? называют постоянной радиоактивного распада. Решая дифференциальное уравнение, получим

где - число нераспавшихся ядер при . Эта формула определяет закон радиоактивного распада.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна

.

Среднее время жизни одного ядра

.

Отсюда ясен физический смысл постоянной радиоактивного распада. Величину ?=1/ ? называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Периодом полураспада называется время, за которое распадается половина радиоактивных ядер. Из закона радиоактивного распада получим

.

Используя понятие периода полураспада, формулу радиоактивного распада можно записать по-другому

.

Отсюда следует

.

Период полураспада для различных ядер принимает значения от 10 - 7 с до 1015 лет. Активностью А радиоактивного препарата называют число распадов, происходящих в препарате за единицу времени

.

В СИ единицей активности является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Чаще в качестве единицы активности используется кюри (Ки): 1 Ки = 3,7·1010 Бк.

Массовой активностью радиоактивного изотопа называется активность единицы массы

.

При радиоактивном распаде выполняются различные законы сохранения, которые используются при расчете ядерных реакций.

Закон сохранения числа нуклонов. Число нуклонов в распавшемся ядре равно числу нуклонов в продуктах распада.

Закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд ядра равен алгебраической сумме электрических зарядов продуктов распада.

В совокупности эти законы приводят к правилу смещения, позволяющему установить, какое ядро возникнет в результате распада. Например, ?-распад урана происходит по схеме

с образованием тория и излучением ?-частицы. Здесь для массового числа А и электрического заряда выполняются равенства

238=234+4,

92=90+2.

Правило смещения позволяет определить тип химического элемента, который образуется при радиоактивном распаде.

Продукты радиоактивного распада часто сами являются нестабильными и снова распадаются. Нередко происходит целый ряд радиоактивных превращений, пока в конце не образуются стабильные элементы.

5. Формы радиоактивного распада

Существуют различные виды радиоактивного распада, характеризующиеся различными видами излучения. Рассмотрим эти распады.

1) ? - Распад. Альфа-распад происходит по следующей схеме:

.

Здесь символом обозначена ?-частица, которая является ядром гелия . Если нас не интересуют детали радиоактивного распада, а важен только конечный продукт, то схему альфа-распада можно записать в более простом виде

.

Например, распад изотопа урана происходит по схеме ?-распада с образованием ядра тория

.

Альфа-частицы вылетают из распавшегося ядра с большими скоростями (~107 м/c) и теряют свою энергию на ионизацию молекул вещества.

2) Бета-распад. Существует три вида бета-распада, в которых ядро излучает электрон, позитрон или поглощает электрон из электронного облака. Используя принцип неопределенности Гейзенберга и специальную теорию относительности, нетрудно показать, что в ядре электроны существовать не могут. Следовательно, они появляются в результате ядерных реакций.

?- - Распад (электронный распад) протекает по схеме

.

Краткая запись этой реакции

.

Примером ?- - распада может служить распад тория в протактиний

.

Реакция сопровождается -излучением.

При изучении ? - распада возник ряд проблем.

1) Откуда появляются электроны (в ядре их нет)?

2) При электронном распаде нарушается закон сохранения энергии - энергия вылетевшего электрона и ядра после реакции несколько меньше энергии атомного ядра до распада. При этом кинетическая энергия вылетевшего электрона менялась непрерывно, хотя, согласно модели, она должна меняться дискретно.

3) Нарушается закон сохранения спина. Число нуклонов не изменилось, а в правой части появился электрон со спином 1/2, который нельзя компенсировать никаким перераспределением спинов нуклонов (при повороте одного из нуклонов спин меняется на единицу).

Для решения этих проблем В. Паули предположил существование новой частицы, имеющей спин 1/2 - нейтрино. Эта частица была обнаружена экспериментально почти через 20 лет после ее теоретического предсказания. Что касается электронов, то их в ядре действительно нет, но они могут образовываться в результате ядерных реакций.

Исследование ? - - распада привело к открытию новой элементарной частицы - нейтрино (позже при установлении системы классификации элементарных частиц ее назвали антинейтрино). При ? - - распаде один из нейтронов ядра превращается в протон по схеме

.

Позже такую реакцию распада нейтронов наблюдали также в потоке свободных нейтронов.

? + - Распад (позитронный распад) протекает по схеме

.

Краткая запись этой реакции

Примером ? + - распада является превращение азота 13N в углерод 13C

.

Процесс ? + - распада протекает так, как будто бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон по схеме

.

Кратко эту реакцию можно записать в виде

.

Для свободного протона этот процесс невозможен, но в ядрах такие реакции происходят.

Третий вид бета-распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов своего атома. При этом происходит реакция

.

Возбужденное ядро при этом излучает ?-квант и переходит в нормальное состояние. Схема процесса имеет вид

.

Условно эту реакцию можно записать в виде

.

Пример электронного захвата

.

Свободное место в электронной оболочке заполняется другим электроном, в результате чего возникает рентгеновское излучение.

6. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называют процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Схематически ядерную реакцию можно представить в виде

X + a Y + b или X(a,b)Y.

В скобках указывают участвующие в реакции легкие частицы.

Ядерные реакции сопровождаются как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называют энергией реакции. Реакции, которые происходят с выделением энергии называются экзотермическими, а с поглощением - эндотермическими.

В ядерных реакциях выполняются обычные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса. Кроме них выполняются законы сохранения электрического заряда и массового числа, спина и др.

Реакции могут проходить по схеме, указанной выше, или в две стадии по схеме

Х+а С Y+b.

Здесь С - промежуточное ядро (составное или компаунд-ядро). Составное ядро является возбужденным и со временем распадается, переходя в основное состояние. Если a=b, то такой процесс описывает рассеяние а - частиц.

Если реакции протекают без образования составного ядра, то такие реакции называют прямыми.

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом и может быть записана в виде

.

Ядерные реакции в веществе могут происходить при облучении его альфа-частицами, протонами, нейтронами и другими элементарными частицами. Кроме этого существуют самопроизвольные реакции деления ядер.

Ядерные реакции классифицируют по роду участвующих в них частиц (реакции под действием протонов, нейтронов, гамма-квантов), по энергии вызывающих их частиц (реакции при малых, средних и высоких энергиях), по роду участвующих в них ядер (реакции на легких, средних и тяжелых ядрах), по характеру ядерных превращений (реакции с испусканием нейтронов, реакции захвата).

Реакция захвата происходит, когда ядро спонтанно захватывает электрон из внутренней оболочки и протекает по схеме

.

В этой реакции один из протонов ядра превращается в нейтрон.

Примером электронного захвата является превращение радиоактивного ядра бериллия 7Ве в стабильное ядро лития 7Li

.

В ядерных реакциях могут образовываться новые химические элементы, реакции являются источниками различного вида излучений.

Рассмотрим вопрос об изменении энергии при ядерных реакциях. Количество энергии, которая выделяется при одной реакции определяется формулами, полученными в §2 этой главы

,

Где - дефект массы. Здесь

- сумма масс частиц до реакции,

- сумма масс частиц после реакции.

Если , то энергия выделяется, если - энергия поглощается.

7. Цепные реакции деления

При облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы Менделеева: лантан La и барий Ba. Это новый вид ядерных реакций - реакции деления ядра.

Реакцией деления ядра называется реакция, при которой тяжелое ядро делится на несколько более легких ядер (чаще - два). Реакция деления сопровождается излучением вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Образующиеся при делении более легкие ядра называют осколками деления. Как правило, осколки являются радиоактивными и позже испытывают радиоактивный распад.

Рассмотрим реакцию деления ядра урана 235U

.

В процессе деления образуются два нейтрона и ядра ксенона Хе и стронция Sr. Осколок деления 139Хе в дальнейшем испытывает серию ? - - превращений, при которых последовательно образуются цезий Cs, барий Ba и лантан La. Реакции сопровождаются испусканием ? - лучей и происходят по схеме

.

Ксенон в конце превращается в стабильный изотоп лантана. Приведенная реакция деления урана не является единственной. Возможна, например, реакция

,

при которой образуются барий Ba и криптон Kr.

Расчеты показывают, что деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии. Удельная энергия связи для тяжелых ядер равна 7,6 МэВ, для ядер средней массы 8,7 МэВ. Следовательно, при делении ядра выделяется энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Эта энергия распределяется между осколками деления и нейтронами. Использование этой энергии лежит в основе создания атомных электростанций. Процесс деления ядер можно описать в рамках капельной модели (Бор, Френкель).

Скорость реакции деления сильно зависит от скорости нейтронов, вызывающих эту реакцию. В уране реакция деления чаще происходит при медленных (тепловых) нейтронах, а в - при быстрых нейтронах. Для изменения скорости ядерной реакции используют замедлители нейтронов, в которых нейтроны передают часть своей энергии другим ядрам при столкновениях. Такие ядра и элементы называют замедлителями.

Испускание вторичных нейтронов при делении ядер способно привести к цепной реакции деления, которую можно характеризовать коэффициентом размножения.

Коэффициентом размножения k называют отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. При k >1 развивается цепная реакция деления, при k<1 реакция деления затухает (остановка реактора), при k=1 идет самоподдерживающаяся реакция.

Коэффициент размножения зависит от многих параметров: размеров активной зоны (критические размеры), наличия неделящихся примесей, массы делящегося вещества (критическая масса). Опишем процесс цепной реакции деления. Пусть Т - среднее время жизни одного поколения, N - число нейтронов в данном поколении. Тогда прирост числа нейтронов за одно поколение

dN=kN - N.

Скорость цепной реакции

.

Отсюда видно, что величина k определяет характер цепной реакции. При число нейтронов не изменяется - идет самоподдерживающая реакция.

Схема простейшего уран - графитового реактора показана ниже.

Здесь 1 - замедлитель (графит), 2 - блоки из урана, 3 - стержни, содержащие кадмий или бор

В качестве делящегося материала в таких реакторах использовался 238U, обогащенный изотопом 235U. При этом основная реакция идет с использованием 235U, который может захватывать медленные нейтроны. 238U реагирует с быстрыми нейтронами, но неохотно вступает в реакцию с медленными. Для замедления нейтронов в реактор вносится графит. Скорость цепной реакции управляется стержнями из кадмия или бора, которые эффективно поглощают нейтроны. Такую реакцию называют реакцией на медленных нейтронах.

В таких реакторах часть нейтронов захватывается 238U и после серии превращений

образуется плутоний, который можно использовать для реакторов на быстрых нейтронах и для производства атомных бомб. Поэтому такие реакторы называют реакторами - размножителями. В них после протекания цепной реакции материалы направляются на химическую переработку для извлечения необходимых элементов. Побочными продуктами ядерных реакций являются различные химические элементы, которые используются в биологии, медицине, технике.

В настоящее время основой ядерной энергетики являются реакторы на быстрых нейтронах. В таких реакторах используются природный 238U, обогащенный 235U. В реакциях на быстрых нейтронах замедлитель отсутствует, в цепных реакциях участвуют оба изотопа урана.

К недостаткам атомной энергетики следует отнести экологическую опасность, проблему радиоактивных отходов, потенциальную возможность создания атомного оружия.

8. Термоядерные реакции

Ядерным синтезом называется реакция слияния легких ядер в одно ядро. В этих реакциях может выделяться огромное количество энергии. Для протекания реакции требуются очень высокие температуры, поэтому такие реакции называют термоядерными. Рассмотрим несколько простейших реакций синтеза:

(4 МэВ)

(3,3 МэВ)

(17,6 МэВ)

(22,4 МэВ)

Энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в атомных реакциях (для 238U - 0,84 МэВ, для третьей из указанных реакций имеем 17,6/5=3,5 МэВ). Оценим температуру, при которой может происходить термоядерная реакция. Ядра дейтерия следует сблизить на расстояние атомного ядра. Для этого требуется энергия

МэВ

что составляет 0,35 Мэв на одно ядро. Полагая

,

получим Т=2,6·109 К. Учет распределения скоростей (закон Максвелла), а также тоннельный эффект позволяют понизить эту температуру до 1,3·107 К, т.е. для осуществления термоядерных реакций нужны температуры в десятки миллионов градусов.

Неуправляемая термоядерная реакция получена (водородная бомба). В ней высокая температура достигается за счет взрыва атомной бомбы. После этого начинается реакция синтеза водорода и происходит цепная термоядерная реакция. Получение управляемой термоядерной реакции сталкивается с большими техническими трудностями.

Большую техническую проблему представляет задача термоизоляции зоны реакции. Для этого раскаленную плазму помещают в сильное магнитное поле, которое не позволяет частицам соприкасаться с поверхностью стенок. В плазме возникают различного рода неустойчивости, которые приходится устранять.

В установках типа «Токамак» (тороидальная камера с магнитной катушкой) уже достигнуты температуры порядка 107 К, но до получения управляемой термоядерной реакции надо решить еще много технических задач.

В последние десятилетия интенсивно разрабатывается идея использования лазеров для возникновения и поддержания термоядерной реакции. Для этого лучи многих мощных лазеров фокусируются в одну точку, где может выделиться огромное количество тепла и возникнуть высокая температура.

Достоинства управляемых термоядерных реакций: экологическая чистота, нет радиоактивных отходов, большие запасы топлива.

9. Основные формулы теории атомного ядра

1. Энергия связи ядра

.

2. Дефект массы

.

3. Изменение интенсивности излучения

.

4. Закон радиоактивного распада

.

5. Реакция -распада

.

6. Реакция -распада

.

7. Реакция -распада

.

8. Реакция электронного захвата

.

Список использованной литературы и источников

1. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1998, 478 с.

2. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики, М.: Высшая школа, 1996, 304 с.

3. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики, СПб.: «Специальная литература», 1999, 328 с.

4. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями, М.: Высшая школа, 1999, 592 с.

5. Все решения к «Сборнику задач по общему курсу физики» В.С. Волькенштейн, М.: Аст, 1999, книга 1, 430 с., книга 2, 588 с.

6. Красильников О.М. Физика. Методическое руководство по обработке результатов наблюдений. М.: МИСиС, 2002, 29 с.

7. Супрун И.Т., Абрамова С.С. Физика. Методические указания по выполнению лабораторных работ, Электросталь: ЭПИ МИСиС, 2004, 54 с.

Размещено на Allbest.ur