№8. Ядерная физика

1.

ЛЕКЦИЯ №9.
ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ.
1. Размер, состав и заряд атомного ядра.
2. Дефект массы и энергия связи ядер.
3. Ядерные силы и их свойства. Модели ядра.
4. Радиоактивное излучение и его виды. Закон
радиоактивного распада. Правила смещения.
5. Ядерные реакции и их основные типы.

2.

1 вопрос - Размер, состав и заряд атомного ядра.
Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны называются нуклонами.
Протон (р) имеет заряд +1,6.10-19Кл и mр = 1836 mе.
Нейтрон (n) не имеет заряда, mn = 1839 me.
A
Символ элемента Z
238
92
U ).
(например,
Z – зарядовое число ядра , равное числу протонов в
ядре; совпадает с порядковым номером химического
элемента в периодической системе;
А – массовое число, равное числу нуклонов в ядре
(числу протонов Z и нейтронов N).
Заряд ядра + Ze. Так как атом нейтрален, то заряд ядра
определяет число электронов в атоме, от которого
зависит их распределение по состояниям в атоме, а
следовательно, зависят химические свойства атома.
X

3.

2 вопрос - Дефект массы и энергия связи ядер.
Масса ядра mЯ меньше суммы масс входящих в его
состав протонов и нейтронов:
mЯ Zm p Nmn
Разность этих масс называется дефектом массы:
m Zm p Nmn mЯ
Энергия, которая необходима для полного
расщепления ядра на отдельные нуклоны,
называется энергией связи. Энергию связи можно
определить по дефекту массы по формуле
Есв m c 2 [Zmp ( A Z )mn mЯ ] c 2

4.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон в
ядре, называется удельной энергией связи.
Удельная энергия
связи характеризует устойчивость
(прочность) атомных ядер: чем
больше удельная
энергия связи, тем
устойчивее ядро.
Из рисунка
следует, что
наиболее
устойчивы ядра
средней части
таблицы
Менделеева.
Есв
Есв
А

5.

3 вопрос - Ядерные силы и их свойства. Модели ядра.
Ядерные силы – это особые силы, действующие в
ядре между нуклонами. Они относятся к классу
сильных взаимодействий .
Свойства ядерных сил
1) они являются силами притяжения,
2) это короткодействующие силы ( ~10-15м),
3) им свойственна зарядовая независимость (силы
между двумя протонами, или двумя нейтронами, или
между протоном и нейтроном одинаковы по величине,
4) им свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре
взаимодействует только с ограниченным числом
ближайших к нему нуклонов,
5) они зависят от взаимной ориентации спинов
взаимодействующих нуклонов,
6) ядерные силы не являются центральными.

6.

4 вопрос - Радиоактивное излучение и его виды.
Закон радиоактивного распада. Правила смещения.
Явление самопроизвольного (спонтанного)
превращения атомных ядер в другие ядра с
испусканием частиц и различных видов радиоактивных
излучений называется радиоактивностью.
Естественная радиоактивность наблюдается у
неустойчивых изотопов, существующих в природе;
искусственная – у изотопов, полученных в ядерных
реакциях.
Радиоактивное излучение бывает трех типов:
, , излучения.

7.

Схема опыта по
обнаружению
различных
видов
радиоактивного
распада.

8.

излучение представляет собой поток ядер гелия,
отклоняется электрическим и магнитным полями,
обладает высокой ионизирующей способностью и
малой проникающей способностью.
излучение – это поток быстрых электронов,
отклоняется электрическим и магнитным полями,
ионизирующая способность значительно меньше, а
проникающая способность гораздо больше.
это коротковолновое электромагнитное
излучение с малой длиной волны
10 10 м и
вследствие этого – ярко выраженными
корпускулярными свойствами, т.е. является потоком
частиц - квантов (фотонов). Оно отклоняется
электрическим и магнитным полями. Обладает
относительно слабой ионизирующей способностью и
очень большой проникающей способностью.

9.

Атомное ядро, испытывающее радиоактивный
распад, называется материнским, возникающее ядро
– дочерним.
Закон радиоактивного распада имеет вид:
N N 0e
t
или
N N0 2
t
T1 / 2
N0 – начальное число нераспавшихся ядер ( в момент
времени t=0),
N – число нераспавшихся ядер в момент времени t,
Т1/2 – период полураспада – время, за которое
начальное число радиоактивных ядер в среднем
уменьшается вдвое,
ln 2 0,693
T1/ 2
T1/ 2 - постоянная радиоактивного распада.

10.

Правила смещения позволяют установить, какое ядро
возникает в результате распада данного материнского
ядра. Правила смещения это следствие законов
сохранения зарядового и массового чисел:
Сумма зарядовых (и массовых) чисел возникающих
ядер и частиц равна зарядовому (и массовому) числу
исходного ядра.
Радиоактивные превращения ядер разделяют
на два основных типа:
Альфа-распад.
Бета-распад.
При испускании ядрами атомов нейтральных γ-квантов ядерных
превращений не происходит. Испущенный γ-квант уносит
избыточную энергию возбужденного ядра; числа протонов и
нейтронов в нем остаются неизменными.

11.

5. Ядерные реакции и их основные типы
Деление атомного ядра – это явление распада ядер на
несколько более легких атомных ядер. На основе
деления тяжелых элементов (урана и плутония)
работают атомные электростанции.
Деление тяжелых ядер может происходить
посредством цепной реакции, когда при распаде ядра
выделяется частицы (нейтроны), способные вызвать
реакцию деления других ядер. Цепные реакции
возможны, если масса ядерного топлива превышает
минимальную критическую массу.

12.

Схема
развития
цепной
реакции

13.

Устройство, в котором поддерживается управляемая
реакция деления ядер, называется ядерным (или
атомным) реактором. Схема ядерного реактора на
медленных нейтронах приведена на рисунке.

14.

Слияние легких ядер при очень высокой температуре,
сопровождающееся выделением энергии, называется
термоядерной реакцией (реакцией термоядерного синтеза)
Осуществление управляемых термоядерных реакций
даст человечеству новый экологически чистый и
практически неисчерпаемый источник энергии. Однако
получение сверхвысоких температур и удержание
плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет
собой труднейшую научно-техническую задачу на пути
осуществления управляемого термоядерного синтеза.
На данном этапе развития науки и техники удалось
осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в
водородной бомбе. Высокая температура, необходимая
для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью
взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную
роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца
и звезд имеет термоядерное происхождение.