Тема 2.2 Ядерная физика

1. Методы регистрации заряженных частиц.

2. Радиоактивность

3. Превращение химических элементов и радиоактивных распадов

4. Искусственное превращение химических элементов

5. Открытие нейтрона

6. Состав атомных ядер. Запись ядерных реакций

7. Изотопы

8. Ядерные силы

9. Дефект массы атомного ядра. Энергия связи

10. Деление тяжёлых атомных ядер

11. Цепная ядерная реакция. Ядерный взрыв

12. Ядерный реактор атомной электростанции

13. Термоядерные реакции. Энергия солнца, звёзд

1. Методы регистрации заряженных частиц.

1 метод: Сцинциляция.

Пользуясь этим методом можно установить наличие излучения у какого-либо вещества, его интенсивность и проникающую способность. Это излучение фиксируется поддельным вспышкам на люминесцирующем экране.

2 метод: счётчик Гейгера Мюллера

Счётчик представляет собой баллон, заполненный инертным газом под большим давлением. На стенки баллона наносится тонкий слой проводника, всё это является одним электродом счётчика. В качестве второго используется тонкая проволока, натянутая вдоль основания баллона. На электроды подаётся высокое напряжение, но тока в цепи нет, т.к. инертный газ является диэлектриком. Если через счётчик пролетает заряженная частица, то она вызывает ионизацию инертного газа и в этом месте газ становится проводником тока, и в результате по цепи счётчика проходит короткий импульс тока, который на гасящем сопротивлении Rн создаёт падение напряжения между электродами. Падение напряжения на сопротивлении Rн учитывается и подаётся к электромеханическому счётчику, который фиксирует эту частицу. Этот счётчик фиксирует любую пролетевшую частицу, которая вызывает ионизацию газа. Таким образом, этот счётчик можно использовать для подсчёта частиц, пролетающих через баллон счётчика.

3 метод: Камера Вильсона

В цилиндре над поршнем в камере находится пар в насыщенном состоянии. Если поршень резко опустить вниз, то в результате адиабатного расширения температуру внутри камеры уменьшить и пар при такой температуре становится перенасыщенным.

Избыток влаги, содержащийся в воздухе, может конденсироваться в капельки жидкости, но для этого необходимы центры конденсации. Такими центрами могут служить ионы, полученные в результате ионизации воздуха камеры пролетающей частицей. В таком случае траектория движения частицы внутри камеры будет отмечена капельками жидкости (туманный свет - трек). По толщине трека можно узнать пролетевшую частицу, так например a-частицы оставляют широкий короткий след. b-электроны пунктирный след.

Если камеру поместить в магнитное поле, то заряженные частицы будут двигаться по дуге окружности. При этом частицы одного знака заряда будут отклоняться в одну сторону, а другого знака в противоположную. По радиусу кривизны дуги можно рассчитать скорость движения частицы. Зная массу и скорость можно рассчитать кинетическую энергию. Камера Вильсона способна регистрировать частицы, которые, ионизируют воздух этой камеры.

4 метод: Пузырьковая камера

5 метод: Толстый слой фотоэмуссий

2.Радиоактивность

В 1895 г. французский ученый Беккерель изучая соли урана обнаружил, что уран является источником излучения названного радиоактивным.

Если радиоактивные лучи пропустить через магнит и электрические поля, то они делятся на три части: одно излучение отклоняется в одну сторону, значит оно имеет заряд, другое в другую, значит другой знак заряда, третий вид лучей электромагнитное поле не отклоняется – они электронейтральны.

Частицы излучения, имеющие «+» знак заряда называются a-частицами, представляющие собой ядра атомов гелия.

Лучи с «-» знаком заряда - b лучи – это быстролетящие электроны.

Нейтральные лучи представляют собой кванты коротко-волнового электромагнитного излучения - g кванта.

Французские учёные Мария и Пьер Кюри из солей урана выделили 2 ковалентных радиоактивных элемента Радий и Полоний, радиоактивность которых превосходит радиоактивность урана.

Учёный Резерфорд объяснил явление радиоактивности тем, что ядра тяжёлых химических элементов не стабильны и могут самопроизвольно распадаться, в результате этих распадов и возможно радиоактивное излучение.

У каждого радиоактивного элемента свой период полураспада, который остаётся постоянным.

Период полураспада – это время за которое количество нерасплавленных ядер уменьшается ровно на половину.

Так, например, у Радия он составляет 1620 лет, у Радона 3,8 суток, у Урана миллионы лет.

3.Превращение химических элементов при радиоактивных распадах

Т.к. a-частицы являются ядром атома Гелия, то.то означает, что заряд a-частиц +2, а масса – 4 атомных единиц, поэтому в результате распада ядро радиоактивного элемента выбрасывает a-частицу и заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а масса уменьшается на 4 атомных единицы, это означает, что вновь полученные элементы будут находиться на 2 клетки ближе к началу таблицы.

Если этот элемент окажется радиоактивным, то процесс распада продолжится до тех пор, пока не получится ядро стабильного химического элемента. При b-распаде, ядро выбрасывает электрон, т.к. у электрона заряд -1, то положительный заряд ядра на единицу увеличивается. В результате получается новый химический элемент, следующий за этим элементом в таблице Менделеева. В процессе a и b распада ядер, сопровождаемых g-излучением. При g-излучении превращения химического элемента не происходит, при этом ядро из возбуждённого состояния переходит в стабильное. Т.о. при естественной радиоактивности в природе происходит постоянное превращение химических элементов, в результате которого ядра тяжёлых радиоактивных химических элементов превращаются в ядра стабильных химических элементов.

Так, на пример, конечным продуктом распада Урана является Свинец.

4. Искусственное превращение химических элементов

В 1919 г. английский учёный Резерфорд впервые осуществил ядерную реакцию по превращению химических элементов при радиоактивном распаде. В этой реакции из Азота и Гелия он получил Кислород и Водород.

Если воздух облучать a-частицами, то на экране можно наблюдать отдельные вспышки.

Было установлено, что эти вспышки возникают не за счёт a-частиц, они вызваны протонами (ядрами атомов Водорода). В дальнейшем было установлено, что протоны появляются в процессе ядерной реакции, происходящей между ядрами атомов Азота и атомов Гелия. Вероятность этой реакции сравнительно мала. Для того, чтобы ядро атома Гелия могло приблизиться к ядру Азота, оно должно обладать большой энергией. Между атомами действует сила отталкивания. Если эти условия выполняются, то a-частицы проникают внутрь ядра Азота. Получается новый химический элемент с зарядом ядра +9 – это Фтор. Ядро Фтора не стабильно и распадается на Водород и Кислород.

5. Открытие нейтрона

Т.к. заряд ядра и его масса (в атомных единицах) выражает целыми числами, и численно не совпадают (за исключением Водорода), то было сделано предположение, что в состав атомного ядра должны входить частицы, не имеющие заряда, а их масса должна быть равна одной атомной единице массы. Эти частицы были названы нейтронами.

В 1934 г. Геккель при облучении Бериллия a-частицами, обнаружил эти нейроны.

Нейтроны следов в камере Вильсона не оставляют.

Если на пути нейтронов поместить пластинку парафина, то взаимодействуя с ядрами Водорода нейтроны выбивают из этой пластинки ядра атомов Водорода – протоны, которые не оставляют следы в камере Вильсона. Масса нейтрона не много больше чем у протона и примерно = 1 атомной единице массы. Т.к. нейтрон примерно = 1 Т.к. нейтрон электронейтрален, то слабо взаимодействует с веществом. Его скорость может изменяться только при непосредственном взаимодействии с ядром атома.

При столкновении с ядрами тяжёлых химических элементов нейтроны могут проникать внутрь ядра, а могут от него отскакивать.

6. Состав атомных ядер. Запись ядерных реакций

2)

После открытия нейтрона учёные предположили капельную модель ядра. Согласно их теории в состав атомного ядра входят 2 вида частиц:

- протоны

- нейтроны

Они называются нуклонами.

Заряд ядра определяется количеством протонов, масса – количеством нуклонов. Количество нейтронов, входящих в состав атомного ядра можно рассчитать, если от массы отнять заряд ядра.

M – Масса ядра

Z – Количество протонов, заряд

N – Количество нейтронов

₇N¹⁴+₂He⁴«₉F¹⁸®₈O¹⁷+₁H¹

₄Be⁹+₂He⁴®₆C¹³®₆C¹²+n¹

₀n¹®₁H¹+₁e⁰ электрон

7. Изотопы

Было установлено, что ядра одного и того же химического элемента бывают одни радиоактивные, другие стабильные. При детальном изучении выяснили, что эти ядра имеют один и тот же заряд, но разную массу. Такие элементы были названы изотопами. Изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, поэтому в результате химических реакций отличить один изотоп от другого не возможно. Установлено, что все химические элементы имеют изотопы. Масса отдельного изотопа выражается целым числом, а у химических элементов масса чаще выражается дробным числом, это говорит о том, что в природном химическом элементе содержится несколько разных изотопов. В природе у Водорода 3 изотопа:

- ₁H¹ – обычный

- ₁H² – дейтерий (тяжёлый)

- ₁H³ – тритий (сверх тяжёлый)

Если изотопы одного и того же химического элемента вступают в реакцию с другими химическими элементами, то образуются вещества, отличающиеся по своим свойствам, так, например, дейтерий с Кислородом образует тяжёлую воду, плотность которой 1,108×10³

Температура кипения (при обычном давлении) 101,4⁰С

Температура замерзания (при обычном давлении) 3,8⁰С

8. Ядерные силы

Ядро состоит из нуклонов, между которыми действуют силы взаимодействия. Этими силами объясняется прочность ядра. Электромагнитными эти силы быть не могут, т.к. положительно заряженные протоны друг от друга отталкиваются.

Между нуклонами в ядре действуют особые силы на очень маленьких расстояниях, не превышающих 10-14 м. Они могут быть как и силами притяжения, так и силами отталкивания.

Например, на расстоянии 0,5×10^-15 м – силы отталкивания

На расстоянии 2×10^-15 м – силы притяжения

На расстоянии 3×10^{-15 –} ядерные взаимодействия практически прекращаются. Т.к. эти силы действуют на очень малых расстояниях, то плотность ядра от его размеров не зависит. Расчёты показывают, что плотность ядра составляет 10¹⁷. 1 см³ ядерного вещества имеет массу порядка 10 000 000 тон. Рассматриваемую модель ядра часто называют капельной, т.к. некоторые свойства ядра и капельки жидкости имеют внешние сходства. Та, например, на поверхности действуют силы поверхностного натяжения, поэтому они имеют форму шара.

Между частицами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания и зависит это от расстояния.

В настоящее время установлено, что ядерные силы, действующие между нуклонами внутри ядра, носят обменный характер. Частицы, которыми обмениваются нуклоны, называются p-мезонами (пионами).

9. Дефект массы атомного ядра. Энергия связи

Энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы из ядра получить свободные протоны и нейтроны, называются энергией связи, или иначе, энергия, которая выделяется при синтезе (образование ядра из протонов и нейтронов), также называется энергией связи.

Для атомных ядер наблюдается дефект массы – это разность между суммарной массой свободных протонов и нейтронов, входящих в состав атомного ядра, и массой самого ядра, полученного из этих нуклонов.

Dm = (Zm_p + Nm_n) – Mя

Dm – дефект массы

Z – количество протонов

N – количество нейтронов

m_p – масса одного протона

m_n– масса одного нейтрона

Mя – масса ядра

Зная дефект массы атомного ядра, можно легко подсчитать энергию связи атомного ядра. Для этого необходимо воспользоваться уравнением Эйнштейна, устанавливающего связь между массой и энергией.

- уравнение Эйнштейна

E – энергия

- формула расчёта Энергии связи

Т.к. при синтезе ядра энергии не выделяется, то это значит, что суммарная масса свободных протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, больше массы самого ядра, то полученный дефект массы положительный.

Прочность атомных ядер зависит от удельной энергии связи. Это энергия связи, проходящая в среднем на один кулон. Её можно определить, разделив всю энергию связи на количество нуклонов ядра. Чем больше удельная энергия связи, тем больше прочность ядра.

Расчёты показывают, что самыми прочными ядрами являются ядра химических элементов средней части таблицы Менделеева.

10. Деление тяжёлых атомных ядер

В 1938 году немцы Ганн и Штрасмен установили, что если изотоп Урана (₉₂U²³⁵) облучать нейтронами, то ядро этого изотопа может делиться на 2 ядра осколка. При этом получаются 2 новых химических элемента (примерно средней части таблицы Менделеева). Как правило, эти ядра – осколки являются тоже радиоактивными. Испытывая a и b распады, эти ядра в конечном итоге превращаются в ядра стабильных химических элементов. В результате такого деления выделяется энергия порядка 200 мэВ при каждом акте деления, и выделяются свободные нейтроны от одного до 3-х в среднем 2,5 нейтрона.

11. Цепная ядерная реакция. Ядерный взрыв

В 1942 г. было установлено, что реакция деления Урана может быть цепной. Т.к. при делении ядра Урана в среднем выделяется до 2,5 нейтронов, то эти нейтроны, попав в ядро Урана, могут вызвать дальнейшую реакцию деления. Для того, чтобы реакция стала цепной, необходимо, чтобы хотя бы один из нейтронов, полученных в результате деления ядра, был захвачен ядром изотопа Урана (235) и вызвал реакцию деления. Для того чтобы характеризовать скорость протекания цепной реакции, вводится понятие эффективного коэффициента размножения нейтронов, которое находится отношением количества электронов, вызывающих реакцию деления последующего поколения к количеству нейтронов предыдущего поколения.

Если k _эф > 1, то цепная реакция неуправляемая (ядерный взрыв)

Если k _эф» 1, то цепная реакция управляемая

Если k _эф < 1, то цепная реакция затухающая

Цепная реакция может происходить при определённых условиях, а именно масса ядерного горючего должна быть больше критической. При массах меньше критической, электроны, полученные в результате распада ядра могут покинуть этот кусок. Нейтроны, полученные в результате распада ядра, могут покинуть этот кусок, не вызвав дальнейшей реакции деления.

Хранят ядерное горючее в виде отдельных кусков, масса которых меньше критической массы. Величина критической массы зависит от формы куска, самая маленькая критическая масса у куска в виде шара.

Атомная бомба состоит из оболочки, внутри которой находится ядерное горючее в виде отдельных кусков, масса которых меньше критической.

При взрыве обычным зарядом перегородки разрушаются, отдельные куски соединяются в месте и суммарная масса становится больше критической и в результате возникает цепная реакция деления, в результате которой выделяется огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Температура в эпицентре достигает 1.000.000⁰ С. В результате высокой температуры возникает мощное световое излучение. В результате расширения образуется мощная ударная волна. Т.к. плотность воздуха в эпицентре значительно уменьшена, то наблюдается всасывающее действие и в результате образуется характерный гриб. В результате цепной реакции образуются новые радиоактивные ядра, которые являются мощным источником радиоактивного излучения. Это излучение на живые организмы оказывает губительное действие.

12. Ядерный реактор атомной электростанции

В 1912 г. в Америке впервые была осуществлена управляемая цепная реакция деления тяжёлых атомных ядер. Для того, чтобы реакция стала управляемой необходимо добиться того, чтобы эффективный коэффициент размножения нейтронов был =1. Устройство, в котором реакция осуществилась называется ядерным реактором. Ядерный реактор бывает 2-ух типов:

- На медленных нейтронах

- На быстрых нейтронах

В качестве ядерного горючего используется в реакторах изотоп U²³⁵. Активная зона реактора заполнена графитом, атомы Углерода являются хорошим замедлителем нейтронов. В графике просверлены каналы, в которые опускаются аварийные и управленческие стежки из Кадмия и Бора. Эти стежки являются хорошим поглотителем нейтронов.

В оставшиеся места в каналах загружают ядерное горючее. Затем аварийные стежки фиксируются в положении, при котором k _эф = 1.

Выделяемая энергия при распаде атомных ядер выводится из активной зоны с помощью специальных теплоносителей. В реакторах на медленных нейтронах это может быть обычная вода. Разогретая вода в активной зоне, проходя через теплообменник, отдаёт энергию в воде второго контура. Вода 1-го контура радиоактивна, поэтому контур замкнут. Вода 2-го контура превращается в рабочий пар, который приводит во вращение турбины. Турбина соединена с генератором; генератор вырабатывает электроэнергию.

Отработанный пар конденсируется в воду в конденсаторе и вновь поступает в теплообменник. 2-ой контур тоже замкнут. При конденсации пара выделяемая энергия нагревает воду 3-го контура. Эта вода не радиоактивна и может быть использована в технических нуждах. Активная зона реактора окружена мощной бетонной защитой. Радиоактивный фон вблизи реактора не должен превышать естественного радиоактивного фона.

13. Термоядерные реакции. Энергия солнца, звёзд

В результате синтеза лёгких атомных ядер в тяжёлые ядра выделяется энергия связи. Для осуществления такой реакции необходима высокая температура, измеряемая миллионами градусов. Поэтому реакция называется термоядерной.

Установлено, что при термоядерной реакции синтеза выделяется энергия, примерно в 4 раза больше, чем при ядерной реакции деления тяжёлых ядер. Так, например, при синтезе Дейтерия и Трития выделяется энергия, примерно 17,6 МЭВ и при этом образуется ядро Гелия.

₁H² + ₁H³ ® ₂He⁴ + ₀n¹ + 17,6 МЭВ

В недрах солнца температура равна 13,000,000⁰С. При такой температуре и большой плотности происходит синтез Водорода в Гелий, и при этом выделяется энергия порядка 26,7 МЭВ при образовании одного ядра.

4₁H¹®₂He⁴ + 2e⁰ + 26,7 МЭВ

позитрон

По современным оценкам состав Солнца примерно таков: 70% Н, 29% Не, 1% и более тяжёлых химических элементов.

Если интенсивность излучения Солнца остаётся такой же, как сейчас, то Водорода хватит на 10¹¹ лет. В случае выгорания Водорода, внутри звезды образуется Гелиевое ядро и начинается реакция синтеза 3-х ядер Гелия в Углерод. Для осуществления такой реакции нужна температура более 100.000.000⁰ С.

Первая неуправляемая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве Водородной бомбы. Водородная бомба состоит из оболочки, внутри которой находится атомная бомба. Управляемой термоядерной реакцией в настоящее время пока не получено. Проблема заключается в удержании высокой температурной плазмы (ядерного горючего) в ограниченном объёме пространства. Высокую температуру можно достичь при электрическом разряде или с помощью мощного лазерного луча. Удержание термоядерного горючего при высокой температуре в ограниченном объёме пространства осуществляется с помощью мощных магнитных полей. В случае преодоления трудностей, возникающих при осуществлении термоядерного синтеза, наука позволит получить новый, практически неисчерпаемый источник энергии.

Дата добавления: 2014-01-04