Фізика. Лекції та електронні підручники на Бобыч.Ру

14.10.2015

Будову атомного ядра. Ядерні реакції

Будова атомних ядер. Атомне ядро будь-якого елемента таблиці Менделєєва має позитивний заряд Ze. де Z — порядковий номер елемента. З моменту відкриття будови атома (Резерфорд, 1911 р.) було досить ясно, що до складу ядер входять протони — ядра атома водню, що мають позитивний заряд е. Однак маса ядер більше, ніж сума мас Z протонів, так що до складу ядер повинні входити ще якісь інші частинки. З іншого боку, припущення, що в ядрі знаходиться Z однаково заряджених протонів, вимагає додаткових припущень про наявність сил, що протидіють електростатичного відштовхування. Таким чином, питання про структуру атомних ядер залишався неясним до 1932 р. коли Джеймс Чадвик відкрив нейтрон — нейтральну частинку з масою, трохи більшої маси протона. У тому ж 1932 р. Д. Д. Іваненко та В. О. Тамм, а також незалежно Ст. Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра. Подальші теоретичні дослідження та прямі експерименти повністю підтвердили цю модель.

Термінологія. Хімічний елемент однозначно характеризується атомним номером Z. співпадає з числом протонів в ядрі.

Ядро з даним числом протонів Z може мати різне число нейтронів N.

Протони та нейтрони разом називаються нуклонами .

Конкретне ядро з даними Z, N називається нуклидом .

Масовим числом називається повне число нуклонів у ядрі: A = Z + N .

Так як маси протонів і нейтронів дуже близькі (mn /mp = 1,0014 ), то маса ядра з великою точністю пропорційна А .

Щоб повністю описати конкретний нуклід, досить задати два з трьох чисел: A, Z, N .

Прийняте позначення для ядра хімічного елемента X :Фізика. Лекції та електронні підручники на Бобыч.Ру
.

Ізотопи — нукліди з однаковими Z. Ізобари — нукліди з однаковими А. Изотоны — нукліди з однаковими N .

Розміри ядер. Якщо уявити собі ядро як кульку певного радіуса R. усередині якого упаковані A нуклонів, то ясно, що обсяг такого кульки зростає пропорційно А.

Отже, R = R0 A 1/3. де R0 » 1.1 ·10 -15 м.

Ядерні сили. Існування ядер можливе лише в тому випадку, якщо між нуклонами діють особливої сили природи, протидіючі електростатичного відштовхування протонів і стискаючі всі нуклони в малій області простору. Такі сили не можуть мати ні електростатичну природу (навпаки, ці сили повинні сильно притягувати протони), ні гравітаційну природу (чисельно сила гравітаційного тяжіння занадто мала, щоб перешкодити значному електростатичного відштовхування). Ці нові сили отримали назву ядерних сил. а що породжує ці сили взаємодія називається сильним .

Експериментально встановлені наступні властивості ядерних сил.

1. Ці сили однакові за величиною, незалежно від того, діють вони між двома протонами, протоном і нейтроном або двома нейтронами (зарядова незалежність ядерних сил ).

2. Ці сили мають короткодействующий характер, тобто звертаються в нуль, якщо відстань між нуклонами перевищує розмір ядра.

3. В області дії ядерних сил ці сили дуже великі (порівняно з електромагнітними або, тим більше, гравітаційними силами) і є силами тяжіння аж до відстаней порядку R0. де вони змінюються силами відштовхування. Таким чином, нуклони в ядрах утримуються в області простору радіусом R > R0. однак атомні ядра неможливо стиснути до менших розмірів.

Маса ядер і енергія зв’язку. Прийнятою одиницею виміру мас ядер є атомна одиниця маси (а.е.м.), визначається як 1/12 маси атома вуглецю 12 С (ядро атома і шість електронів). Вимірювання дають: 1 а.е.м. = 1,6605402·10 -27 кг .

В ядерній фізиці незручно користуватися масами, вираженими в кг, і енергіями, виміряними в Дж. Кожна область фізики вимагає для найбільш адекватного опису своїх одиниць вимірювання. Так, в даному випадку найзручніше перерахувати маси в еквівалентні значення енергії спокою за формулою Ейнштейна Е0 = mc 2 і висловити ці значення енергії в ев або, що ще зручніше, в Мев (мільйонах електрон-вольт).

Приблизно 1 а.е.м. = 931,5 Мев.

Маса ядра менше маси складових його нуклонів. Це можна легко зрозуміти, якщо уявити собі, що ядро розбито на складові частини, які потім віддалені на великі відстані один від одного. Зрозуміло, що на це потрібно затратити роботу проти ядерних сил притягання нуклонів один до одного. Отже, за законом збереження енергії, повна енергія спокою ядра дорівнює сумі енергій спокою складових частин за вирахуванням енергії зв’язку, чисельно дорівнює тій роботі, яку потрібно затратити, щоб розбити ядро.

Енергію зв’язку В можна підрахувати за формулою: В = (Zmp + Nmn — Mя )з 2 .

Цієї енергії можна зіставити дефект маси D m = В/з 2 .

Для порівняння енергій зв’язку різних ядер зручно ввести нову характеристику: енергія зв’язку на нуклон В/А. Максимальну енергію зв’язку на нуклон ( » 8,6 Мев) мають ядра Fe, Ni і Со.

Ядерні реакції синтезу і ділення. При розгляді будь-яких реакцій з участю ядер елементів (радіоактивний розпад, реакції синтезу, ділення і т.д.) повинні виконуватися деякі правила.

1. Суми атомних номерів ядер на початку і в кінці реакції повинні бути рівні один одному (закон збереження електричного заряду ).

2. Суми масових чисел ядер на початку і в кінці реакції повинні бути рівні один одному (це закон означає незмінність повного числа нуклонів, що приймають участь в реакції, або збереження баріонної числа ).

  1. В області ядер легких елементів енергія зв’язку зростає з ростом номера ядра. Іншими словами, в області елементів до заліза нуклони в більш важких ядрах пов’язані сильніше, ніж в легенях. Тому при синтезі більш важкого ядра з більш легких може виникнути ситуація, коли частина енергії виділяється у вигляді гамма-випромінювання або якимось іншим чином.

Прикладом реакцій синтезу (термоядерних реакцій) може служити так званий протон-протонний цикл :

Фізика. Лекції та електронні підручники на Бобыч.Ру

В цьому ланцюжку реакцій синтезу ядер водню (протонів) з перетворенням їх в ядра гелію виділяється в загальній складності 25 Мев енергії. Вважається, що протон-протонний цикл є головним джерелом енергії зірки типу Сонця.тобто йти з виділенням енергії). Тому подібні реакції можуть стати джерелами енергії.

Ланцюгова реакція. В кожної з реакцій поділу виникають додаткові нейтрони, які, в принципі, можуть бути ініціаторами таких актів поділу ядер урану-235. В результаті в блоці урану, що містить достатню кількість подільного матеріалу, може виникнути самоподдерживающаяся ланцюгова реакція поділу з виділенням енергії. На шляху до реального здійснення такої реакції варто багато труднощів, пов’язаних з необхідністю уповільнення утворюються при поділі нейтронів до таких невеликих енергій, при яких вони здатні захоплюватися таким ядром урану-235 (ймовірність захоплення нейтронів ядрами урану обернено пропорційна швидкості нейтрона). Крім того, потрібно не допустити вильоту нейтронів за межі робочої області, для того, щоб підтримувалася ланцюгова реакція. Ці і багато інші труднощі були подолані Е. Фермі з співробітниками, які у кінці 1942 р. запустили на території Чиказького університету перший у світі ядерний реактор. Перший ядерний реактор в СРСР був запущений під керівництвом В. В. Курчатова в Москві в 1946 р.

Короткий опис статті: будову атомного ядра Електронний підручник з фізики фізика, кінематика, механіка, динаміка, статика, електрика, сила, магнетизм, оптика

Джерело: Фізика. Лекції та електронні підручники на Бобыч.Ру

Також ви можете прочитати