Ядерная физика

1.

Ядерная физика
Преподаватель Юридического колледжа
Валентина Владимировна Киреева

2.

РЕМОНТ
Я́дерная фи́зика — раздел
физики,
изучающий
структуру,
свойства
и
превращения атомных ядер

3.

РЕМОНТ
Электрон был открыт английским физиком
Дж. Томсоном в 1897 г., наблюдавшим свечение, которое возникало
в вакуумной трубке, частично заполненной газом, к которой были
подключены электроды, по которым подавался ток высокого
напряжения.
По характеру отклонения лучей в электрическом и
магнитном поле Томсон сделал вывод, что они состоят из
отрицательно заряженных частиц вещества.
• Он пришёл к выводу, что в состав атомов различных элементов
входят отрицательно
заряженные частицы.
Эти мельчайшие частицы были
названы электронами

4.

РЕМОНТ
Электрон
отрицательно заряженная элементарная
частица
заряд - 1,6 х 10-19 Кл
масса - 9,1 х 10-28 г
размеры электрона менее
10−18 м
стабилен.

5.

РЕМОНТ
Модели атома

6.

РЕМОНТ
Модель Томпсона 1903г.
(Пудинг с изюмом)
Атом представляет
положительно заряженный шар,
внутри которого распределены
электроны
Недостатки модели:
1. не объясняла дискретный характер
излучения атома и его устойчивость;
2. не давала возможности понять, что
определяет размеры атомов;
3. оказалась в полном противоречии с
опытами Эрнеста Резерфорда.
Джозеф Джон Томсон
(1856 – 1940)

7.

РЕМОНТ
Ранняя планетарная модель атома Нагаоки
В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока
предложил модель атома, построенную по аналогии
с планетой Сатурн. В этой модели вокруг
маленького положительного ядра по орбитам
вращались электроны, объединённые в кольца.

8.

РЕМОНТ
1911г. исследование распределения
положительного заряда в атоме

9.

РЕМОНТ
Эрнест Резерфорд
(1871 – 1937)
Планетарная модель атома
Резерфорда
1.
В
центре
атома
положительно
заряженное
ядро;
2. Масса ядра составляет 99,9%
от
массы
всего
атома;
3.Диаметр ядра в 100000 раз
меньше
диаметра
атома;
4. Электроны движутся по
орбитам
вокруг
ядра
5. Заряд ядра по модулю равен
сумме зарядов электронов,
поэтому
атом
нейтрален

10.

РЕМОНТ
Планетарная модель атома Резерфорда

11.

РЕМОНТ
Строение ядра
Протонно-нейтронная модель
(Иваненко и Гейзенберг 1932 г.)

12.

РЕМОНТ
Атомное ядро состоит из нуклонов:
положительно заряженных протонов и
нейтральных нейтронов.
Атомное ядро как класс частиц с
определённым числом нуклонов,
называют нуклидом

13.

РЕМОНТ
Открытие протона

14.

РЕМОНТ
•Протон (в переводе с греческого
означает
«первый»)
был
открыт
Резерфордом в 1919 году.
При
бомбардировке атомов азота вылетали
частицы, имеющие такие же заряд и массу
как ядра атома водорода.
Резерфорд назвал их протонами, которые и
оказались ядрами водорода.

15.

РЕМОНТ
ПРОТОН
положительный заряд 1,6*10-19 кл;
масса - 1,67262∙10-24 г (1 а.е.м.), тяжелая
частица,
относящаяся
к
классу
барионов;
время жизни 1031 лет;
Количество протонов в ядре называется
зарядовым числом
и равно
порядковому номеру элемента

16.

РЕМОНТ
Ученик Резерфорда Джеймс Чедвик в
1932 году «поймал» двойника протона
– нейтральную частицу с высокой
проникающей способностью - нейтрон

17.

РЕМОНТ
Нейтрон
масса - 1,674927351 *10−24 г;
нестабильная частица: существует около
15 минут,
распадается на протон, электрон и
нейтральную частицу - антинейтрино.
Количество нейтронов в ядре называется
его изотопическим числом и определяется
как разница между массовым числом и
порядковым номером.

18.

РЕМОНТ
Ядерные силы
Между нуклонами в ядре действуют
ядерные силы
Свойства:
Силы притяжения
Сильное взаимодействие
Короткодействующие: с ростом числа
нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и
поэтому большинство тяжелых ядер
радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не
могут существовать=> число элементов в
природе конечно.

19.

РЕМОНТ
В 1963 г. Мюррей
Геллман и Джордж Цвейг
предположили, что нуклоны
состоят из кварков.
В 1969 г. кварки были
обнаружены
экспериментально.
Попытки обнаружить
кварки
в
свободном
состоянии к успеху не
привели

20.

РЕМОНТ
КВАРКИ –
это бесструктурные образования,
истинно элементарные частицы.
Имеют дробный заряд, кратный
1/3 элементарного.
Виды кварков: u – кварк +2/3 е,
d – кварк
-1/3 е

21.

РЕМОНТ
Кварковый состав протона и
нейтрона

22.

РЕМОНТ
Радиоактивность
В 1896 г. французский физик А. Беккерель, изучая
явление люминесценции солей урана, установил,
что уран испускает лучи неизвестного типа.
Он взял соль урана, осветив её солнечным
светом, он завернул соль в чёрную бумагу и
положил в тёмном шкафу на фотопластинку,
завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое
время, проявив пластинку, Беккерель увидел
изображение куска соли. Т.к. люминесцентное
излучение не могло пройти через чёрную бумагу,
засветить пластинку могли рентгеновские лучи.

23.

РЕМОНТ
В 1897- 98 г. Мария СклодовскаяКюри открыла новые радиоактивные химические
элементы: торий, полоний, радий.
Позднее было установлено, что все
химические элементы, начиная с № 83, являются
радиоактивными.
Радиоактивность - способность некоторых
химических элементов самопроизвольно испускать
радиоактивные лучи.

24.

РЕМОНТ
• 1899г. - Английский физик Э.Резерфорд в
результате проведенных опытов открыл
неоднородность радиоактивного
излучения.
В магнитном поле поток радиоактивного излучения
распадается на 3 составляющих: альфа- лучи, беталучи и гамма-лучи.

25.

РЕМОНТ
Виды радиоактивного распада
α – распад:
мХ
z
42 Не
м 4Y
z 2
- альфа-частица (ядро атома гелия)
в результате вылета α -частицы заряд ядра
уменьшается на 2 элементарных заряда
и образуется новый химический элемент, который
в таблице Менделеева расположен на 2 клетки
ближе к её началу, чем исходный.

26.

РЕМОНТ
β – распад:
мХ
z
0е
1
мY
z 1
- бета-частица (электрон).
Нейтрон в ядре атома может превращаться в
протон, электрон и антинейтрино, в результате ядро
излучает электрон.
При бета-распаде одного химического
элемента образуется другой элемент, который
расположен в таблице Менделеева в следующей
клетке за исходным.

27.

РЕМОНТ
Гамма–излучение происходит из-за
перехода ядра в состояние с более низкой
энергией

28.

РЕМОНТ
Ядерная реакция
– это процесс взаимодействия атомного ядра
с другим ядром или элементарной частицей,
сопровождающийся изменением состава и
структуры
ядра.
Ядерные реакции используются для
изучения строения и свойств атомных ядер,
получения ядерной энергии и радиоактивных
изотопов

29.

РЕМОНТ
Первая ядерная реакция в истории
была осуществлена Резерфордом в 1919
году.
Ученый бомбардировал атомы азота
α-частицами, и при соударении частиц
происходила ядерная реакция.

30.

РЕМОНТ
Деление ядра урана
В 1939 году немецкими учеными О.
Ганом и Ф. Штрассманом было
открыто деление ядер урана. Они
установили, что при бомбардировке
урана нейтронами возникают элементы
средней части периодической системы –
радиоактивные изотопы бария (Z = 56),
криптона (Z = 36) и др.

31.

РЕМОНТ
Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив
нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться.
Оно растягивается и разрывается на две части, осколки
разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении
ядра образуются 2 или 3 нейтрона.

32.

РЕМОНТ
Образовавшиеся нейтроны могут
вызвать деления других ядер урана, при этом
число нейтронов нарастает. Процесс, в
котором одна проведенная реакция вызывает
последующие реакции такого же типа
называется цепной реакцией.
Деление ядер урана сопровождается
выделением большого
количества энергии

33.

РЕМОНТ
Использование ядерной энергии
Ядерный реактор – это устройство,
преобразующее внутреннюю энергию атомного
ядра в электрическую энергию.
Преимущества АЭС:
- не потребляют кислород и органическое топливо
- не загрязняют окружающую среду золой и
вредными для человека продуктами
органического топлива
- безопасны при нормальном режиме
эксплуатации АЭС.

34.

РЕМОНТ
Атомное оружие
В атомных бомбах ядерная реакция возникает
при быстром соединении двух кусков урана-235,

35.

РЕМОНТ
Термоядерная реа́кция реакция, при которой лёгкие атомные ядра
объединяются в более тяжёлые, происходящая при
сверхвысокой температуре и сопровождающаяся
выделением огромных количеств энергии

36.

РЕМОНТ
Преимущества использования термоядерного синтеза
- энергия, выделившаяся на один нуклон в результате термоядерной
реакции, значительно превышает энергию, выделившуюся на один
нуклон в результате деления ядер урана;
- топливом является тяжелый водород, а его много в морской воде;
- нет опасного радиоактивного излучения, и в процессе реакции не
будет радиоактивных отходов.
В настоящее время уже удалось получить энергию термоядерного
синтеза:
- это термоядерная или водородная бомба, где проходит неуправляемая
термоядерная реакция, имеющая взрывной характер;
- это экспериментальные термоядерные
установки ТОКАМАК (созданы в СССР) - тороидальные камеры с
магнитными катушками, где идет управляемая термоядерная реакция.

37.

РЕМОНТ
Механизм действия водородной бомбы.
Сначала взрывается находящийся внутри оболочки зарядинициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в
результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая
температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза.
Нейтроны бомбардируют вкладыш из соединения дейтерия с литием6. Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий.
Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием,
температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в
синтез все большее и большее количество водорода.

38.

РЕМОНТ
Самой
мощной
из
испытанных бомб была водородная
бомба мощностью 57 мегатонн (57
миллионов
тонн
тротилового
эквивалента), созданная в СССР.
Среди разработчиков были Сахаров,
Харитонов и Адамский.
Утром 30 октября 1961 года в 11:32
бомба, сброшенная с высоты 10 км,
достигла высоты 4000 метров над
Новой Землей и была приведена в
действие. Место взрыва напоминало
ад – землю устилал толстый слой
пепла от сгоревших скал.
Мощность взрыва в 10 раз
превысила суммарную мощность
всех
взрывчатых
веществ,
использованных во второй мировой
войне.

39.

РЕМОНТ
Антивещество
Для каждой частицы существует парная к ней
античастица — точно такая же частица, но с
противоположным зарядом.
В1932-м году американский физик Карл Андерсон,
изучая космические лучи,открыл античастицу
электрона - позитрон.
В 1955 г. на ускорителе частиц Университета
Калифорнии в Беркли — «Беватроне» — был
получен первый антипротон, а через год –
антинейтрон.

40.

РЕМОНТ
Это означает, что можно создать антиатом.
В1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым
удалось создать 9 атомов антивещества, которые прожили
всего 40 наносекунд и распались. Позже, при помощи
массивных устройств была создана магнитная ловушка,
которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172
миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов
антиводорода – 0,28 аттограмм (10-18 грамм).
Антиводород – это антивещество, атом которого состоит
из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.
В чистом вакууме такие антиатомы могут существовать
вечно.
При взаимодействии вещества и антивещества
выделяется огромное количество энергии без радиации

41.

РЕМОНТ
Применение
Первое и наиболее интересное устройство, теоретически
работающее на антивеществе – варп-двигатель. В сериале
«звездный путь» двигатель питался энергией от реактора,
работающего на основе принципа аннигиляции материи и
антиматерии.
Согласно расчетам, для космических кораблей будущего
понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный
полет до Марса может сократиться в продолжительности до
месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят
катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря
подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические
перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие
звездные системы
Но, где сталкивать вещество и антивещество непонятно, черные
дыры еще не изучены, да и далеко до них

42.

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ!