Элементы ядерной физики

1.

ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ
ФИЗИКИ

2. Ядро развитие учения о ядре можно подразделить на несколько периодов.

1. 1895г- 1913г.
1896г. Беккерель явление радиоактивности
1897г. Открытие электрона
1898г. П. и М. КЮРИ открывают полоний и радий
1910г. Резерфорд - α и β лучи. Создание теории
радиораспада
1911г. Резерфорд открытие атомного ядра

3.

• 2. 1913-1925гг. Искусствен. Ядерные превращения ,
изотопы.
• 3. 1925- 1932 гг Создание ускорителей различного
типа. Теория α распада
• 4. 1932-1936 гг Открытие нейтрона. (Чадвик)
• Иваненко, Гейзенберг – нейтронно- протонная
структура ядра.
• Открытие позитрона (Андерсон)
• Наблюдаются ливни электронов и позитронов в
космических лучах
• Открытие аннигиляции позитронов, открытие
• искусственной радиоактивности и испускание
позитронов при β распаде (Ф.Жолио-Кюри)
Искусственная радиоактивность , вызванная
нейтронами

4.

5. 1935-1941 гг Создание теории ядра, его модели
6. Гипотеза кварков.
Теория элементарных частиц
ВИДЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
их переносчики, время τ и радиус действия R
переносчики τ сек
Rм
• 1.Электромагнитное фотоны
• 2.Сильное
глюоны
• 3.Слабое
• 4.гравитационное
бозоны
10
20
15
23
10
13
10
9
гравитоны
10 лет
10
18
10

5.

Протонно-нейтронная модель ядра
В 1932 году русский физик
Иваненко и немецкий
физик Гейзенберг
независимо друг от друга
предложили протоннонейтронную модель ядра.
Согласно этой модели,
атомное ядро состоит из
протонов и нейтронов.
Ядерные частицы
получили название
нуклоны.
5

6. Модель ядра

Атомное ядро
6

7. Характеристики протона:

• время жизни свободного протона > 1032 лет
• заряд qp =1.6·10-19 Кл;
• масса mp =1а.е.м.=1.6724·10-27 кг = 938.3 МэВ;
• спиновое число s =1/2;
• собственный магнитный момент mр=+2.79mя
mя = еh /2mp = 5.05× 10-27 Дж/T
7
– ядерный магнетон.

8.

Характеристики нейтрона:
• время жизни свободного нейтрона 12
мин., схема распада n p e ;
• заряд qn = 0;
• масса mn= 1.6748·10-27 кг = 939.55 МэВ;
• спиновое число s=1/2;
• собственный магнитный момент
mn= –1.91 mя;
Знак «—» показывает , что магнитные моменты
протона и нейтрона антипараллельны.
8

9.

Каждое ядро содержит Z протонов и N
нейтронов. Z - зарядовое число равное
порядковому номеру элемента в
таблице Менделеева. Суммарное
число протонов и нейтронов в ядре массовое число А:
А=Z+N
Обозначение ядер:
A
Z
X или Z X
A

10.

Изотопы – это ядра с одинаковым числом
протонов Z, но различным количеством
нейтронов N. Например, водород имеет
три изотопа:
1 – обычный водород, протий (Z=1, N=0)
Н
1
2 – тяжелый водород: дейтерий D2 (Z=1,
Н
1
1
N=1).
3 – сверхтяжелый водород: тритий Т3
Н
1
1
(Z=1, N=2).
1 и Н2 – стабильны, Н3 – радиоактивен.
Н
1
1
1

11.

1
Н1
1
2
D
1
3
Т

12.

Изобары – атомные ядра различных
элементов, имеющие одинаковые
массовые числа.
Изотоны – ядра с одинаковым числом
нейтронов. Например 7N14 и 6C13 .
Изомеры – радиоактивные ядра с
одинаковыми Z и A, но различными
периодами полураспада.
12

13.

Корпускулярно-волновой дуализм
13

14.

Ядерные силы
Протоны в ядре отталкиваются
кулоновскими силами. Это не приводит
к разрушению ядер, так как между
нуклонами в ядре действуют ядерные
силы неэлектрической природы.
Взаимодействие нуклонов в ядре
названо сильным взаимодействием.

15.

Свойства ядерных сил
1) не зависят от заряда нуклонов;
2) короткодействующие
(действуют на расстояниях, не
превышающих 2·10-15 м);
3) насыщенные (удерживают
ограниченное число нуклонов);
4) нецентральные (действуют не
по кратчайшей прямой).

16.

Энергия связи ядра
Энергия, которую надо затратить, чтобы
расщепить ядро на отдельные нуклоны,
называется энергией связи атомного ядра.
Энергия связи ядра в момент слияния
нуклонов выделяется в виде излучения.
Из закона взаимосвязи массы и энергии
Wсв mc
2
m дефект массы ядра.

17.

Дефект массы ядра - это разность
между суммарной массой частиц,
составляющих ядро, и массой
целого ядра Mя :
m Zm p ( A Z )mn M Я
17

18.

Энергия связи, приходящаяся
на один нуклон, называется
удельной энергией связи:
Wсв
W
A
18

19. Удельная энергия связи ядер химических элементов

19

20.

Из графика видно, что:
у ядер с 0<А<40 удельная энергия связи резко
возрастает с ростом А.
у ядер с массовым числом 40<А<100 удельная
энергия связи максимальна;
у ядер с А>100 удельная энергия связи плавно
убывает с ростом А;
Способы высвобождения внутриядерной
энергии:
1. Деление тяжелых ядер (цепная реакция)
2. Синтез легких ядер (термоядерная
реакция).
20

21.

Наиболее устойчивые ядра называют
магическими.
Число протонов или число нейтронов
в них равно магическим числам:
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Самые устойчивые – пять магических
ядер:
4
2
16
8
40
20
48
20
He , O , Ca , Ca ,
208
82
Pb.

22.

Спин ядра
Это собственный момент
импульса ядра — векторная
сумма собственных и орбитальных
моментов импульса нуклонов.

23.

Магнитный момент ядра
пропорционален спину ядра. Единица
магнитных моментов ядер - ядерный
магнетон:
e
mя
.
2m p
Он примерно в 660 раз меньше магнетона
Бора, поэтому магнитные свойства атомов
определяются в основном магнитными
свойствами его электронов.
23

24.

Ядерный магнитный резонанс
Заключается в поглощении
радиочастотного магнитного
поля при переходе между
ядерными подуровнями.
Позволяет определить
магнитный момент ядра.

25. Радиоактивность

Это явление самопроизвольного
испускания химическими элементами
излучения со значительной
проникающей способностью и
ионизирующими свойствами.
Радиоактивными являются все
элементы с порядковым номером
Z > 83.

26.

Излучение радиоактивных веществ
состоит из трех компонент:
α-, β- и γ-излучения.
α- и β-лучи отклоняются
магнитным полем в
противоположные стороны,
а γ-лучи не отклоняются
совсем.

27.

28. Основные типы ядерных превращения, приводящие к испусканию радиоактивных излучений

28

29.

Правила смещения Содди при
a и b распаде
Сумма зарядовых (массовых) чисел
до распада равняется сумме
зарядовых (массовых) чисел после
распада.

30. Возникает в результате туннелирования α-частицы сквозь потенциальный барьер, создаваемый ядерными силами.

a-распад
A
Z
X
Y a
A 4
Z 2
Возникает в результате
туннелирования
α-частицы сквозь
потенциальный барьер,
создаваемый
ядерными силами.
4
2

31. β-распад

A
Z
X
Y
A
Z 1
0
1
e
При β-распаде вместе с электроном
испускается нейтральная частица –
антинейтрино. Она имеет нулевой заряд,
спин ½, почти нулевую массу покоя.
β -распад происходит в результате распада
нейтрона внутри ядра по схеме:
n p e
31

32.

-излучение
1. - -излучение - это коротковолновые фотоны.
2. Возникает в результате a- и b-распада.
3. Спектр линейчатый, что подтверждает дискретность
энергетических уровней энергии нуклонов в ядре.
4. Испускается дочерним, а не матерински ядром.
5. Не описывается правилами смещения Содди.

33. -излучение

Закон радиоактивного распада
Количество распадов, происходящих в
данном количестве радиоактивного
элемента за 1 секунду, называется
активностью:
dN
A
dt

34.

Активность пропорциональна числу
ядер радиоактивного вещества на
данный момент времени
dN
dN
N,
dt
dt
N
ln N t C , N N 0 e
t
постоянная распада

35.

Период полураспада Т - время, за
которое распадается половина ядер.
Характеризует скорость распада.
Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада 1600 лет; торий 90Th231 25.64 часа;
полоний 84Po212 - 3·10-7 с.
N0
ln 2
T
T
N o e , e 2,
2
T
36

36.

Приборы для регистрации
радиоактивного излучения:
1. Электрорегистраторы:
сцинтилляционный счетчик,
ионизационная камера,
газоразрядный счетчик,
полупроводниковый детектор;
2. Видеорегистраторы:
камера Вильсона, диффузионная
камера, пузырьковая камера,
фотоэмульсии.
38

37.

Счетчик Гейгера
Ханс Гейгер

38.

Треки элементарных частиц в
толстослойной фотоэмульсии

39.

Камера Вильсона
Чарльз Томсон Вильсон

40.

Треки частиц в камере Вильсона

41.

Треки частиц в камере Вильсона
43

42.

Пузырьковая камера

43. Треки частиц в камере Вильсона

Треки частиц в пузырьковой камере
45

44.

Ядерные реакции
Взаимодействие атомного ядра с
элементарной частицей или с другим
ядром, в результате которого ядро
превращается в ядро другого
элемента, называют
ядерной реакцией.
Впервые ядерную реакцию
осуществил Резерфорд в 1919 г.
4
2
He N O H
14
7
17
8
1
1

45.

Для ядерной реакции необходимо, чтобы
частицы сблизились на расстояние порядка
10–15 м.
Ядерные реакции подчиняются законам
сохранения энергии, импульса, заряда.
Ядерные реакции могут протекать как с
выделением, так и с поглощением
кинетической энергии.

46.

Цепная ядерная реакция деления
Это реакция, при которой происходит
размножение падающих частиц.
Коэффициент размножения нейтронов k:
nt
k
nt 1
nt-1 – число нейтронов предыдущего поколения,
nt – число нейтронов данного поколения.
Условие развития цепной ядерной реакции:
k 1
48

47.

Цепные реакции делятся на
управляемые и неуправляемые.
Неуправляемая реакция атомная бомба.
Управляемая реакция ядерный реактор.

48. Цепная ядерная реакция деления

Цепная реакция деления с k=2
50

49.

Цепная ядерная реакция деления урана-235
U n
235
92
1
0
139
54
Xe
95
38
Sr 2 n
1
0

50.

Атомная электростанция

51.

Схема устройства ядерного реактора
Корпускулярно-волновой
дуализм
53

52.

Атомный реактор
Атомное ядро
54

53. Схема устройства ядерного реактора

54. Атомный реактор

55.

Реакция синтеза атомных ядер
57
Образование
тяжелых ядер путем
слияния легких ядер.
Удельная энергия
связи резко
увеличивается при
переходе от Н к He и
Li, т.е. реакция
синтеза должна
сопровождаться
выделением
огромной энергии.

56.

Термоядерные реакции
Это ядерные реакции
между легкими ядрами,
протекающие при очень
высоких температурах
(~107 К и выше).
При этом вещество
находится в состоянии
полностью ионизованной
плазмы.

57. Реакция синтеза атомных ядер

Атомная бомба

58.

Атомные бомбы «Малыш» и «Толстяк»
Атомное ядро
61

59.

Первый подводный ядерный взрыв на полигоне
Новая Земля, бухта Чёрная, 21 сентября 1955 г.

60.

Атомный взрыв
Атомное ядро
63

61. Атомные бомбы «Малыш» и «Толстяк»

64

62. Первый подводный ядерный взрыв на полигоне Новая Земля, бухта Чёрная, 21 сентября 1955 г.

Термоядерный взрыв
Корпускулярно-волновой
дуализм
65

63. Атомный взрыв

66

64.

25 Ноября 1955 года в 9:47 состоялось
испытание первого советского
термоядерного заряда мегатонного класса.

65. Термоядерный взрыв

Водородная бомба

66.

Самый мощный советский термоядерный заряд.
Испытан 30 октября 1961 года на неполную мощность.
Энерговыделение 50 Мт ТЭ. Музей ядерного оружия.
(Архив Минатома)

67. 25 Ноября 1955 года в 9:47 состоялось испытание первого советского термоядерного заряда мегатонного класса.

Взрыв самой мощной термоядерной бомбы