Ядерная физика. Ядерные реакции

1. Лекция №8

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Ядерные реакции

2.

• Ядерная физика — раздел физики,
изучающий структуру и свойства
атомных ядер, а также их
столкновения (ядерные реакции).
• Задачи, возникающие в ядерной
физике, — это типичный пример
задач нескольких тел. Ядра состоят
из нуклонов (протонов и
нейтронов), и в типичных ядрах
содержатся десятки и сотни
нуклонов.

3. История ядерной физики

1896 г. - французский физик А. Беккерель, изучая явления
люминесценции солей урана, установил, что урановая соль испускает
лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево, тонкие
металлические пластины, ионизирует воздух.
1898 г. - Мария Склодовская – Кюри, исследуя урановые руды,
обнаружила новые химические элементы: полоний, радий.
1898 г. - Э. Резерфорд выделил 2 вида лучей: альфа - лучи и бета – лучи.
1900 г. - П. Виллард открыл гамма – лучи.
1902 г. - Э. Резерфорд и Ф. Содди доказали, что в результате
радиоактивного распада происходит превращение атомов одного
химического элемента в атомы другого химического элемента,
сопровождаемое испусканием различных частиц.

4.

Что называют радиоактивностью?
Радиоактивность – это
самопроизвольное превращение
одних ядер в другие, сопровождаемое
испусканием различных частиц.

5.

ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ.
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ, ИЛИ
СПОНТАННОГО РАСПАДА ЯДЕР, БЫЛО
ОТКРЫТО А. БЕККЕРЕЛЕМ В 1896 Г. ОН
ОБНАРУЖИЛ, ЧТО УРАН И ЕГО
СОЕДИНЕНИЯ ИСПУСКАЮТ ЛУЧИ ИЛИ
ЧАСТИЦЫ, ПРОНИКАЮЩИЕ СКВОЗЬ
НЕПРОЗРАЧНЫЕ ТЕЛА И СПОСОБНЫЕ
ЗАСВЕЧИВАТЬ ФОТОПЛАСТИНКУ.

6.

При радиоактивном распаде
рождаются:
альфа – лучи – ядра атома гелия;
бета – лучи – электроны;
гамма – лучи – коротковолновое
электромагнитное излучение.

7.

Проникающая способность:
• Наименьшей проникающей способностью обладают альфалучи, для них не прозрачным препятствием станет листок
бумаги толщиной в несколько миллиметров.
• Бета-лучи поглощаются намного меньше, алюминиевая
пластинка имеющая толщину также всего несколько
миллиметров может полностью задержать их.
• Гамма-лучи имеют наибольшую проникающую
способность. Интенсивность поглощения гамма лучей
усиливается с увеличением номера вещества поглотителя.
При прохождении гамма лучей через слой свинца в один
сантиметр их интенсиность ослабевает лишь вдвое

8.

«Радиоактивность»

9. Строение атома

10.

Условия протекания ядерных реакций ?
Для того ,чтобы в результате
столкновения двух ядер могла произойти
ядерная реакция необходимо сблизить их
на очень малое расстояние.

11.

Обозначение частиц
0
1
e электрон
1
1
р протон
1
0
n нейтрон

12.

Альфа-распад
4
2
He
альфа-частица
(ядро атома гелия)
- характерен для радиоактивных элементов с
порядковым номером больше 83
- обязательно выполняется закон сохранения массового и
зарядового числа.
- часто сопровождается гамма-излучением.

13.

Правила смещения
Альфа – распад: зарядовое число (порядковый номер)
элемента уменьшается на две единицы, а массовое
число – на четыре единицы
А
Z
X
239
94
А 4
Z 2
Y He
4
2
А
Z
X исходный
радиоактив ный элемент
Pu U He
235
92
4
2
Y химический элемент,
А- 4
Z -2
получивший ся в результате
- распада

14.

Бета-распад
0
1
e
бета-частица
(электрон)
- часто сопровождается гамма-излучением.
- может сопровождаться образованием антинейтрино
( легких электрически нейтральных частиц, обладающих
большой проникающей способностью).
- обязательно должен выполняться закон сохранения
массового и зарядового числа.

15.

Правила смещения
Бета – распад: зарядовое число (порядковый номер)
элемента увеличивается на одну единицу, а массовое
число не меняется
А
Z
40
19
X Y e
А
Z 1
0
1
К Са e
40
20
0
1
А
Z
X исходный
радиоактив ный элемент
Y химический элемент,
А
Z 1
получивший ся в результате
- распада

16.

17.

Ядерная реакция
Ядерная реакция это искусственное
превращение атомных ядер
одного химического элемента
в атомные ядра другого
химического элемента,
вызванное их
взаимодействием с
элементарными частицами
или с другими ядрами.

18.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерные реакции осуществляют под
действием налетающих, или
бомбардирующих, частиц, которыми
облучают более тяжелые ядра. Первая
ядерная реакция была осуществлена
Э. Резерфордом, в 1919 г.

19.

История
Первая ядерная реакция была осуществлена
Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по
обнаружению протонов в продуктах распада
ядер.
Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При
соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая
по следующей схеме:
14
7
N 24He 178 O 11H

20.

Ядерные реакции
Для практического использования наиболее интересными
являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с
нейтронами.
Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут
проникать в атомные ядра и вызывать их превращения.
Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал
изучать реакции, вызываемые нейтронами.
Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не
только быстрыми, но и медленными нейтронами:
27
13
Al n Na He
1
0
24
11
4
2

21. Виды ядерных реакций

Управляемая ядерная реакция
Неуправляемая ядерная реакция

22. При ядерных реакциях выполняются законы сохранения:

1. импульса;
2. энергии;
3. момента
импульса;
4. зарядового
числа;
5. массового числа.
14
7
14+4=17+1
7+2=8+1
N He O H
4
2
17
8
1
1

23.

1934 год, Ирен и Фредерик
Жолио-Кюри, получили
искусственные радиоактивные
ядра фосфора, путем
бомбардировки α-частицами.
27
13
Al He P n
4
2
30
15
1
0
Это был впервые полученный радиоактивный
фосфор.
В последствии было получено свыше 1000
радиоактивных изотопов.

24. Энергетический выход ядерной реакции

-это разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и
после реакции
Q ( M A M B M C M D )c Mc
2
2
где MA и MB – массы исходных
продуктов, MC и MD – массы
конечных продуктов реакции.
Величина ΔM называется
дефектом масс. Ядерные реакции
могут протекать с выделением
энергии (Q > 0, экзотермические)
или с поглощением энергии (Q < 0,
эндотермические).

25. Классификация ядерных реакций:

1. По энергии частиц, которые их вызывают:
малые энергии≈ 100 эВ; средние ≈ 1 МэВ; высокие≈50
МэВ.
2. По виду ядер, которые участвуют в реакции:
реакции на легких ядрах (А<50), средних(50<А<100)
и тяжелых ядрах (А>100);
3. По природе бомбардирующих частиц:
реакции на нейтронах, квантах, заряженных
частицах;
4. По характеру ядерных преобразований:
захват частиц с преобразованием в более массивное
ядро, расщепление ядра на части при бомбардировании,
переход ядра из возбужденного состояния в нормальное.
25

26. Энергетический выход ядерных реакций Е= Δm·c² - разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции

Δm= (m
2H
1
+ m 1 H) – (m 42 He + m 10n)
3
Если Е < 0, то энергия выделяется
(экзотермическая);
Если Е > 0, то энергия поглощается
(эндотермическая).
26

27. Применение ядерных реакций

Энергетика
Синтез новых элементов
Военная сфера
Научные
исследования
Медицина

28. Цепная ядерная реакция

28

29. Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее количество освобожденных нейтронов Отношение количества нейтронов в

каком-либо «поколении» к количеству нейтронов
в предыдущем «поколении» называют
коэффициентом размножения нейтронов k
Если k < 1, реакция быстро затухает,
Если k = 1, то реакция протекает с постоянной
интенсивностью (управляемая),
Если k >1, то реакция развивается лавинно
(неуправляемая) и приводит к ядерному взрыву
29

30. Коэффициент размножения определяют следующие факторы:

235
1) Захват медленных нейтронов ядрами 235U
или захват быстрых нейтронов ядрами 236
Uи
с последующим делением.
2) Захват нейтронов ядрами урана без деления.
3) Захват нейтронов продуктами деления,
замедлителем и конструктивными
элементами установки.
4) Вылет нейтронов наружу из вещества,
которое делится.
30

31.

Чтобы уменьшить вылет
нейтронов из куска урана увеличивают
массу урана (масса растет быстрее,
чем площадь поверхности, если форма –
шар).
Минимальное значение массы урана,
при которой возможна цепная реакция,
называется критической массой.
В зависимости от устройства установки
и типа горючего критическая масса
изменяется от 250 г до сотен
килограммов
31

32. Термоядерная реакция - реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии

Термоядерная реакция реакция слияния легких ядер при очень
высокой температуре,
сопровождающаяся выделением энергии
Энергетически очень выгодна!!!
1. Самоподдерживающиеся – в недрах Земли, Солнца
и других звезд.
2. Неуправляемая – водородная бомба!!!
3. Ведутся работы по осуществлению
управляемой термоядерной реакции.
32

33. Термоядерный синтез

33

34.

Термоядерная реакция реакция слияния легких ядер при очень
высокой температуре,
сопровождающаяся выделением энергии
Энергетически очень выгодна!!!
1. Самоподдерживающиеся –
в недрах Земли, Солнца и других звезд.
2. Неуправляемая – водородная бомба!!!
3. Ведутся работы по осуществлению
управляемой термоядерной реакции.
34

35. Ядерный реактор

35

36.

Ядерный реактор – установка, в которой
осуществляется управляемая цепная
реакция деления тяжелых ядер
Первый ядерный реактор: США, 1942 г.,
Э.Ферми, деление ядер урана.
В России: 25 декабря 1946 г., И.В.Курчатов
36

37. Спасибо за внимание!