Взаимодействие нуклонов и понятие о свойствах и природе ядерных сил

1.

Тема 3.4.5
Взаимодействие нуклонов и понятие о
свойствах и природе ядерных сил
При объединении в ядро выделяется энергия связи
нуклонов друг с другом.
Энергия связи Есв равна той работе, которую
нужно совершить, чтобы разделить ядро на нуклоны и
удалить их друг от друга на такие расстояния, при
которых они практически не взаимодействуют друг с
другом.

2.

Закон взаимосвязи массы и энергии:
E св. c ((Z m p (A Z) m n ) m я ) m c
2
Дефект масс:
m ( Zm p (A Z)m n ) m я
2

3.

4.

Удельная энергия связи ядер

5.

Такая зависимость
удельной энергии связи от
А делает возможным два
процесса:
1. Деление тяжелых ядер на более легкие.
2. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро
(термоядерная реакция)
Оба процесса сопровождаются выделением большого
количества энергии.

6.

Ядерной реакцией называется процесс сильного
взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей
или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра
(или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает
при их сближении до расстояний порядка 10-15 м благодаря
действию ядерных сил.
Наиболее распространенным видом ядерной
реакции является взаимодействие легкой частицы а с
ядром X, в результате которого образуется легкая частица b
и ядро Y:
Х+а Y+b

7.

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в
виде
Х(а,b)Y
В качестве легких частиц а и b могут фигурировать нейтрон
(n), протон (р), дейтрон (D), -частица ( ) и -фотон ( ).
Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением,
так и поглощением энергии. Количество выделяющейся
энергии Q называется энергией реакции. Она определяется
разностью масс исходных и конечных ядер (частиц):
Q m1 m 2 c 2 ,

8.

где
m1 - сумма масс ядер, вступающих в реакцию;
m2 - сумма масс ядер, получившихся в результате
реакции.
Если сумма масс, образующихся ядер, превосходит
сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением
энергии (эндотермическая) и энергия реакции будет
отрицательной (Q<0).
Если реакция идет с выделением энергии (Q>0) –
реакция экзотермическая.
Первая ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г.):
14
7
14
7
N 42 178 O 11p
N , p 178 O

9.

В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции,
вызываемые быстрыми частицами, протекают в 2
этапа:
1. Ядро Х захватывает частицу а и образуется
промежуточное ядро П (составное ядро). Энергия
частицы а за короткое время перераспределяется
между нуклонами ядра и ядро переходит в
возбужденное состояние.
2. Ядро испускает частицу b.
X+a П Y+b

10.

11. Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций.

12.

13.

Звёздные процессы синтеза атомных ядер химических
элементов

14.

Термоядерные реакции в звёздах между лёгкими атомными ядрами протекают
при очень высоких температурах (порядка 107 К и выше), чтобы энергии
сталкивающихся ядер были достаточны для преодоления электростатического
барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер.
Реакция
Энерговыделение,
Мэв
p + p ® D + e+ + v
p + D ® 3He + g
p + T ® 4He + g
D+D®T+P
D + D ® 3He + n
D + D ® 4He + g
D + T ® 4He + n
T + D ® 4He + n
2,2
5,5
19,7
4,0
3,3
24,0
17,6
17,6

15. Спин ядра и его магнитный момент

В.Паули, 1924.
Собственный момент импульса ядра – спин ядра – векторная
сумма спинов нуклонов и орбитальных моментов импульса.
Lя l (l 1)
1 3
l – спиновое ядерное квантовое число, 0, ,1, ,2,...
2 2
принимает целые значения у элементов с четными А,
полуцелые l – у элементов с нечетными А.

16.

Магнитный момент ядра
Pm, я связан со спином ядра:
Pm, я g я Lя
g я - ядерное гиромагнитное отношение.
Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон:
e
я
5,05 10 27 Дж / Тл
2 mр

17. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, ​обусловленное переориентацией

магнитных моментов
атомных ядер. ЯМР — ​один из методов радиоспектроскопии.
Опыт позволяет наблюдать резонанс на ядрах, обладающих
Pm , я 0,1 я

18.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ.
Взаимодействие нуклонов в ядре носит характер
притяжения. Ядерное взаимодействие называют сильным
взаимодействием.
Свойства ядерных сил:
- короткодействующие (радиус действия 10-15 м)
- зарядовая независимость
- зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов
- не являются центральными
- обладают свойством насыщения: каждый
взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.
нуклон

19.

Сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны
обмениваются виртуальными частицами - мезонами:
положительный
мезоны : отрицательный
0 нейтральный
Нуклон в ядре в результате процессов распада оказывается
окруженным некоторым количеством -мезонов и глюонов,
образующих поле ядерных сил.

20.

Сильное
взаимодействие
вызывает
процессы,
протекающие наиболее интенсивно по сравнению с
другими процессами. Именно сильное взаимодействие
(ядерные силы) связывает протоны и нейтроны в атомном
ядре. При столкновениях ядер и нуклонов, обладающих
высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к
ядерным реакциям.
мезоны

21.

22.

Тема 3.4.6
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Радиоактивностью называется самопроизвольное
превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое
испусканием элементарных частиц. К числу радиоактивных
процессов относятся:
1) -распад,
2) -распад,
3) -излучение ядер,
4) спонтанное деление тяжелых ядер,
5) протонная радиоактивность.

23.

Естественная радиоактивность открыта в 1896 г.
А.Беккерелем. Были обнаружены три компоненты
радиоактивного излучения: , , - компоненты:
- поток ядер гелия ( - частиц);
- поток электронов;
- излучение с длиной волны порядка 1A и менее.

24.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений.
К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф
– фотопластинка.

25.

Закон радиоактивного превращения (распада):
N N 0 e t
N0 - количество ядер в начальный момент времени (t = 0);
N - количество нераспавшихся ядер в момент времени t;
- постоянная радиоактивного распада.
Время, за которое распадается половина первоначального
количества ядер, называется период полураспада:
1
1
T
N 0 N 0e
ln T ln 2 T
2
2
ln 2
T

26.

Закон радиоактивного распада

27.

Схема распада
радиоактивной серии.
Указаны периоды полураспада.

28.

Числа протонов и
нейтронов в
стабильных ядрах
При Z > 83
- ядра не
стабильны

29.

A
A 4
4
X
Y
Z
Z 2
2 He
A
A
0
X
Y
Z
Z 1
1 e
~
232 208 24
24 : 4 6 частиц
6 2 12
90 12 78
82 78 4 распадов

30.

31.

Число распадов в единицу времени называется
активностью препарата.
dN
a
N
dt
где N – число не распавшихся ядер в данный момент времени.
Так как N уменьшается со временем, то и активность
препарата уменьшается со временем по закону:
а а0 exp( t )
При данном N, чем больше период полураспада T, тем меньше
.
Препарат с большим периодом полураспада менее активен.
За единицу активности в системе СИ принято 1
превращение в секунду – Беккерель (Бк). Внесистемная
единица – 1 Кюри (Ku), что соответствует активности 1 г радия
3,7 10
10
распадов в секунду.
а

32.

Воздействие радиоактивного облучения
характеризуется поглощенной веществом дозой:
энергией, поглощенной единицей массы вещества –
Грей (Гр).
1Гр = 1 Дж/кг.
Ионизационную способность излучений характеризует
экспозиционная доза. В системе СИ – это заряд одного
знака, созданный в единице массы вещества - 1 Кл/кг.
Внесистемная единица – 1 рентген – соответствует
такому поглощению излучения, которое в 1 кг
ионизованного воздуха образует заряд, равный 2,58 10 4 Кл.

33.

1.
-распад:
A
Z
X AZ 42Y 42 He
U
238
92
уран
Th 42 He
234
90
торий
Атомный номер дочернего ядра Y на две единицы, а
массовое число на четыре единицы меньше, чем у
исходного (материнского) ядра Х.

34.

Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия.
Указано возбужденное состояние ядра радона
Переход из возбужденного состояния ядра радона в
основное сопровождается излучением γ-кванта с
энергией 0,186 МэВ.

35.

Внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух
протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица.
Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой,
которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы
в ядре недостаточна для преодоления этого барьера. Вылет αчастицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту.

36.

2. -распад
2.1. Электронный распад
A
Z
X ZA 1Y 01e ~
Th
234
90
торий
Pa 10e ~
234
91
протактиний
Дочернее ядро имеет атомный номер, на единицу
больший, чем у материнского ядра, массовые числа
обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном
испускается также антинейтрино.

37.

2.2. Позитронный распад
A
Z
X Y ~
e
A
Z 1
N
13
7
изотоп
азота
0
1
С 01 ~e
13
6
изотоп
углерода
Дочернее ядро имеет атомный номер, на единицу
меньший, чем у материнского ядра, массовые числа
обоих ядер одинаковы. Также испускаются позитрон
(антиэлектрон) и нейтрино.

38.

2.3. Электронный захват
A
Z
X e Y
0
1
K e
40
19
калий
0
1
A
Z 1
Ar
40
18
аргон
Дочернее ядро имеет атомный номер, на единицу
меньший, чем у материнского ядра, массовые числа
обоих ядер одинаковы. Также поглощается электрон и
испускается нейтрино.
3. Протонная радиоактивность
ядро испускает 1 или 2 протона.

39.

40.

Тема 3.4.7
Спонтанное деление тяжелых ядер
Для осуществления цепной реакции необходимо,
чтобы коэффициент размножения нейтронов
k>1

41.

Цепная реакция в обогащенном уране

42.

Управляемая цепная реакция в обогащенном уране
происходит в реакторах атомных станций
В США в 1942г. Э. ФЕРМИ. В СССР в 1946 г. И.КУРЧАТОВ.

43.

Принцип действия атомных станций

44.

В Томске началось строительство
экспериментального
завода
по
производству топлива для первого в
мире опытного реактора на быстрых
нейтронах
с
тяжелым
жидкометаллическим теплоносителем.
Проект получил название «Прорыв».
Утверждается,
что
он
станет
настоящим открытием для всего мира и
изменит
будущее
энергетики.
Отработанное ядерное топливо будет
перерабатываться в «таблетки», на
которых и работает новый российский
реактор, т.о. цикл станет замкнутым.
Исчезнет проблема «ядерных отходов» и
загрязнения окружающей среды.

45.

Помимо замкнутого цикла переработки и небывалой мощности, российский
реактор нового поколения обладает и беспрецедентным уровнем безопасности.
Аварии даже критического уровня диверсионного происхождения с разрушением
здания реактора, крышки его корпуса не могут привести к радиоактивному
выбросу, требующему эвакуации населения и появления на долгие годы
отчужденных участков территории, таких как Чернобыль.

46.

Неуправляемая цепная реакция в
обогащенном уране может
привести к ядерному взрыву

47.

48.

49.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!