Размещено на http://www.allbest.ru/

15

Контрольная работа

Тема: Строение атомов и их ядер. Радиоактивность

Содержание

1.СТРОЕНИЕ АТОМОВ И ИХ ЯДЕР, ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА, ЕЕ НЕДОСТАТКИ. ПОСТУЛАТЫ БОРА

2. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР, ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ, НЕУПРАВЛЯЕМАЯ И УПРАВЛЯЕМАЯ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Строение атомов и их ядер, планетарная модель атома Резерфорда, ее недостатки. Постулаты Бора

Атом каждого химического элемента состоит из ядра, расположенного в центре атома, заряженного положительно и электронов, которые движутся вокруг ядра. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. - СПб.: Лань, 2000. - С.95.

Ученые не сразу пришли к пониманию того, как устроен атом. Это был научный поиск, в котором принимали участие многие ученые.
Первая модель атома была создана английским ученым Томсоном, который открыл электрон. По мнению Томсона (+) или (-) заряды атомов равномерно распределены по всему объему.

Английский ученый Резерфорд решил проверить опытным путем распределение (+) заряда в атомах.

Установка Резерфорда состояла из источника альфа -частиц, диафрагмы с маленьким отверстием. Материал диафрагмы задерживает гамма - частицы, а отверстие пропускает в виде узкого пучка, падающего на люминисцентный экран. Каждая альфа- частица вызывает на экране вспышку, а совокупность всех вспышек дает светящееся полотно.

Если поместить перед экраном золотую фольгу полщиной 1 микрон (0,001мм), то интенсивность светящегося пятна уменьшается, зато появляются вспышки вне светящегося пятна. Эти вспышки вызваны альфа-частицами, которые при прохождении через золотую фольгу изменили направление движения.

В твердых телах атомы очень близко расположены друг к другу. Золотая фольга толщиной в 1 микрон содержит 3000 атомных слоев золота, но большинство альфа -частиц проходят сквозь золотую фольгу беспрепятственно, только некоторые отклоняются от первоначального направления. Значит атом внутри пустой. Среди альфа -частиц были и такие, которые изменяли направление движения почти что на 180 градусов.
Чтобы отклонить тяжелую альфа -частицу, которая почти в 8000 раз тяжелее электрона, летящую со скоростью 20 000 км/с, нужна очень большая сила.
Легкие электроны не могут вызвать рассеевание альфа -частиц. Очевидно, только (+) заряженная частица, значительно тяжелее альфа-частиц, может отклонить ее и даже отбросить назад.

Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра - тела очень малых размеров, в котором сконцентрирована вся масса атома и весь положительныизаряд атома.

х - радиус стационарной орбиты п - номер орбиты

m- масса электрона = m = 9,1 * 10?31 кг

k - коэффициент пропорциональности к = 9* 10

l - заряд электрона l = 1,6 * 10?19 кг

Е - энергия атома в стационарном состоянии п - номер орбиты

R - постоянная величина

п - номер более близкой к ядру орбиты 3,29 * 1015 С к - номер более удалённый от ядра орбиты. Справедливость теории Бора была подтверждена
экспериментальными опытами немецких физиков Франка и Герца (1913 г.) ,доказавших существование стационарных состояний атомов.

Недостатки модели

В первую очередь следует остановиться на названии модели. На звание «планетарная» не соответствует физическому содержанию мо дели. Оно возникло из сопоставления атома с солнечной системой и отражает лишь их внешнее сходство. Все тела солнечной системы притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу. Электроны же атома притягиваются лишь к центру - ядру и отталкиваются друг от друга. Атом - чрезвычайно устойчивое образование. И если один или несколько электронов сместить из их положений, то рано или поздно они возвратятся на свои места.

Если же хотя бы одну планету сместить с её траектории, то нарушится равновесие всей солнечной системы и самопроизвольно она не возвратиться в первоначальное состояние. Поэтому модель атома Резерфорда правильнее называть не «планетарной», а ядерной моделью атома, подчёркивая этим самую суть идеи Э. Резерфорда.

Модель Э. Резерфорда - это значительный шаг вперёд по сравнению с моделью Кельвина - Томсона. Однако, она обладала тем же главным недостатком, что и первая модель: с точки зрения классической электродинамики такой атом должен быть энергетически неустойчивым. Действительно, по законам электродинамики всякий ускоренно движущийся заряд излучает энергию. Чтобы не упасть на ядро, электроны в модели Резерфорда должны двигаться вокруг ядра. Но теряя энергию на излучение, электроны будут приближаться к ядру, пока не «сядут» на его поверхность. Атом перестанет существовать, исчезнет его структура, обнаруженная в опытах Э. Резерфорда. Но в действительности атомы чрезвычайно устойчивые образования. Чтобы сохранить модель Резерфорда, объективно отображающую строение атома, Н. Бор в 1913 г. выдвигает два постулата, которые, однако, по своему духу не совместимы с положениями классической физики. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. - СПб.: Лань, 2000. - С.110.

Постулаты Бора

Первый постулат: 

Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е₁, Е₂...E_n. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает, несмотря на движение электронов.

Второй постулат:

В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение: 

m·V·r = n·h/2·p (1)

где m·V·r =L - момент импульса, n=1,2,3..., h-постоянная Планка.

Третий постулат:

Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход:

e = h·u = E_m-E_n (2)

Принцип Паули

Принцип Паули (принцип запрета) -- один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Принцип был сформулирован для электронов Вольфгангом Паули в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта Зеемана и в дальнейшем распространён на все частицы с полуцелым спином. Полное обобщённое доказательство принципа было сделано им в 1940 г. в рамках релятивистской квантовой механики: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми -- Дирака.

2. Радиоактивность. Деление тяжелых ядер, цепная реакция, неуправляемая и управляемая ядерные реакции

Радиоактивность (от лат. - «излучаю», - «луч» и - «действенный»), радиоактивный распад - явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Деление тяжелых ядер

Деление ядра - процесс расщепления атомного ядра на два ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. - СПб.: Лань, 2000 . - С.12-15.

Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которой высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Цепная реакция.

Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразвётвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах. Готт В.С. Философские вопросы современной физики: Учеб.пособие для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш.шк., 1988. - С.143.

Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной.

Атомная бомба

Основными элементами ядерных боеприпасов являются:

* корпус

* система автоматики

Корпус предназначен для размещения ядерного заряда и системы автоматики, а также предохраняет их от механического, а в некоторых случаях и от теплового воздействия. Система автоматики обеспечивает взрыв ядерного заряда в заданный момент времени и исключает его случайное или преждевременное срабатывание. Она включает:

* систему предохранения и взведения;

* систему аварийного подрыва;

* систему подрыва заряда;

* источник питания;

* систему датчиков подрыва; Готт В.С. Философские вопросы современной физики: Учеб.пособие для вузов.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш.шк., 1988. - С.145.

Средствами доставки ядерных боеприпасов могут являться баллистические ракеты, крылатые и зенитные ракеты, авиация. Ядерные боеприпасы применяются для снаряжения авиабомб, фугасов, торпед , артиллерийских снарядов (203,2 мм СГ и 155 мм СГ-США). Различные системы были изобретены, чтобы детонировать атомную бомбу. Самая простая система - оружие типа инжектора, в котором снаряд, сделанный из делящегося вещества, врезается а адресанта образуя сверхкритическую массу. Атомная бомба, выпущенная Соединенными Штатами по Хиросиме 6 августа 1945 года, имела детонатор инжекторного типа. И имела энергетический эквивалент приблизительно в 20 килотонн тротила.

Ядерный реактор

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью с, которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

§ k > 1 - цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность с > 0; k < 1 - реакция затухает, реактор - подкритичен, с < 0; k = 1, с = 0 - число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии. Условие критичности ядерного реактора:

,

где: щ есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объема.

k₀ - коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды. Путилов К.А. Термодинамика. - М., 1971. - С.56.

Очевидно, что k < k0, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме.

Таким образом, k0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны

k0 для тепловых реакторов можно определить по так называемой «формуле 4-х сомножителей»:

,

где

§ м - коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

§ ц - вероятность избежать резонансного захвата;

§ и - коэффициент использования тепловых нейтронов;

§ з - выход нейтронов на одно поглощение.

Объёмы современных энергетических реакторов могут достигать сотен м³ и определяются главным образом не условиями критичности, а возможностями теплосъёма.

Атомная энергетика

Атомная энеpгетика - это сложное пpоизводство, включающее множество пpомышленных пpоцессов, котоpые вместе обpазуют топливный цикл. Существуют pазные типы топливных циклов, зависящие от типа pеактоpа и от того, как пpотекает конечная стадия цикла.

Обычно топливный цикл состоит из следующих пpоцессов. В pудниках добывается урановая руда. Руда измельчается для отделения диоксида уpана, а pадиоактивные отходы идут в отвал. Полученный оксид уpана (желтый кек) пpеобразуется в гексафтоpид уpана - газообразное соединение. Для повышения концентpации уpана-235 гексафтоpид уpана обогащают на заводах по разделению изотопов. Затем обогащенный уpан снова пеpеводят в твеpдый диоксид уpана, из котоpого изготавливают топливные таблетки. Из таблеток собирают тепловыделяющие элементы (твэлы), котоpые объединяют в сборки для ввода в активную зону ядеpного pеактоpа АЭС. Извлеченное из реактора отработанное топливо имеет высокий уровень радиации и после охлаждения на территории электростанции отправляется в специальное хранилище.

Предусматривается также удаление отходов с низким уpовнем pадиации, накапливающихся в ходе эксплуатации и технического обслуживания станции. По истечении срока службы и сам реактор должен быть выведен из эксплуатации (с дезактивацией и удалением в отходы узлов реактора). Каждый этап топливного цикла регламентируется так, чтобы обеспечивались безопасность людей и защита окружающей среды.

Водородная бомба

Оружие большой разрушительной силы (порядка мегатонн в тротиловом эквиваленте), принцип действия которого основан на реакции термоядерного синтеза легких ядер. Источником энергии взрыва являются процессы, аналогичные процессам, протекающим на Солнце и других звездах. Путилов К.А. Термодинамика. - М., 1971. - С.60-65.

Термоядерные реакции. В недрах Солнца содержится гигантское количество водорода, находящегося в состоянии сверхвысокого сжатия при температуре ок. 15 000 000 К. При столь высоких температуре и плотности плазмы ядра водорода испытывают постоянные столкновения друг с другом, часть из которых завершается их слиянием и в конечном счете образованием более тяжелых ядер гелия. Подобные реакции, носящие название термоядерного синтеза, сопровождаются выделением огромного количества энергии. Согласно законам физики, энерговыделение при термоядерном синтезе обусловлено тем, что при образовании более тяжелого ядра часть массы вошедших в его состав легких ядер превращается в колоссальное количество энергии. Именно поэтому Солнце, обладая гигантской массой, в процессе термоядерного синтеза ежедневно теряет ок. 100 млрд. т вещества и выделяет энергию, благодаря которой стала возможной жизнь на Земле.