Ядерная энергия

Энергия — это способность производить работу под действием определённых сил.

Тепловая энергия — кинетическая энергия хаотического движения атомов (молекул), из которых состоит любое вещество.

Электромагнитная энергия — энергия сил электромагнитного взаимодействия.

Потенциальная энергия — энергия сил гравитационного взаимодействия.

Химическая энергия — энергия взаимодействия электронов внешних оболочек соседних атомов.

Ядерная энергия — энергия, обусловленная силами ядерного взаимодействия (силами взаимодействия частиц, составляющих атомное ядро).

В ходе физических процессов происходит превращение одних видов энергии в другие. Это приводит к тому, что ядерная энергия в ядерном реакторе преобразуется в электрическую, тепловую, кинетическую энергию, то есть в полезные виды энергий.

Единицы измерения в ядерной физике

Масса в ядерной физике измеряется в атомных единицах массы а.е.м., равной 1/16 массы кислорода О¹⁶ (примерно равна массе нейтрона или протона):

1 а.е.м. = 1.66*10^-27кг

В качестве относительной единицы массы часто используют массу электрона:

m_e = 9.1*10^-31кг.

Единицы активности:

1 Ки = 3.7*10¹⁰распад/сек —

старейшая и наиболее употребительная единица активности;

1 Бк = 1 распад/сек

Микроскопическое сечение σ = σ_f + σ_γ + σ_s — полное микроскопическое сечение, где σ_f – сечение деления, σ_γ – сечение γ-захвата, σ_s – сечение рассеяния:

1 барн = 10^-28м² = 10^-24см²

Макроскопическое сечение Σ = σ*N (см^-1), где σ – микроскопическое сечение, N – число ядер в 1 см³ вещества.

Скорость (или выход) ядерной реакции w_i – число ядерных реакций в 1 см³ за 1 сек – прямо пропорционален количеству частиц, ядер в единице объёма, скорости частиц, макроскопическому сечению реакции.

w_i = n*v*σ_i*N_ядер = Ф*Σ_i – для нейтронов, где

n – плотность нейтронов, v – скорость нейтронов, Ф = n*v – плотность потока нейтронов, N_ядер – концентрация ядер. n = S*l/V, где S – интенсивность источника нейтронов, l – время жизни нейтронов, V – объём среды.

Плотность потока нейтронов – количество нейтронов, прошедших через площадку в 1 см² за 1 сек во всех направлениях.

Флюенс нейтронов F – суммарное количество нейтронов, прошедших через единицу площади за время t.

F = n*v*t = Ф*t

Модель атома Бора

В упрощённой модели атома Бора положительно заряженное ядро содержит протоны и нейтроны (их называют нуклонами) и имеет радиус ~ 1.4 * 10^-13 см и плотность ~ 2 * 10¹⁴ г/см³.

Ядро окружено облаком отрицательно заряженных электронов, расположенных на строго определённых энергетических уровнях (орбитах). Радиусы этих орбит находятся в диапазоне 10^-8÷10^-9см.

Протоны в 1836, а нейтроны в 1838 раз тяжелее электронов.

В модели атома Бора ядро представлено как капля, частицами которой являются протоны и нейтроны. Модель хорошо описывает средние и тяжёлые ядра, а также такие физические явления, как устойчивость ядра, ядерные реакции, механизм деления и тому подобное.

Существуют и многие другие модели атомов и ядер, это является отражением несовершенства наших знаний об устройстве ядра и атома.

Химические свойства элементов определяются пространственным распределением электронов. Химический элемент в большинстве случаев представляет собой смесь изотопов. Изотопы имеют очень близкие, хотя и различающиеся, химические свойства, что представляет большие трудности при разделении изотопов.

Обозначение химического элемента X:

(или , или ), где

• A — массовое число атома, или сумма нейтронов и протонов в ядре;

• Z — атомный номер (заряд атома), или число протонов в ядре (равно числу электронов).

Пример:  — изотоп урана с массовым числом 235 (заряд атома урана равен 92).

Химический элемент — вид атомов, обладающих одинаковым зарядом атомного ядра.

Нуклид — вид атомов с определённым количеством протонов и нейтронов в атомном ядре.

Изотоп — атомы, обладающие одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в атомном ядре.

Изобары — атомные ядра, имеющие одинаковое массовое число, но различные заряды, то есть принадлежащие разным химическим элементам.

В ядре между нейтронами и протонами (ещё их называют нуклонами) существуют электростатические и ядерные силы взаимодействия (в таблице ниже приведена сравнительная таблица взаимодействий).

Характеристика электростатических сил в ядре:

• действуют так же, как и в макроскопическом мире;

• являются силами отталкивания для одноимённых зарядов;

• являются силами притяжения для разноимённых зарядов;

• действуют на больших расстояниях, то есть на расстояниях, превышающих размер ядра.

Характеристика ядерных сил в ядре атома:

• велики по абсолютной величине — самые сильные из всех сил в природе;

• являются силами притяжения независимо от заряда нуклона;

• действуют на очень близком расстоянии, практически при соприкосновении нуклонов;

• обладают свойством насыщения — энергия связи на нуклон в ядре при увеличении размеров ядра не растёт, а остаётся примерно постоянной.

Начиная с Z > 83, ядра становятся неустойчивыми и с определённой вероятностью распадаются на осколки (α-распад). Происходит это потому, что в ядрах с Z > 83 силы электростатического отталкивания превышают ядерные силы притяжения, действующие на отдельный нуклон (см. рис). Самым тяжёлым из природных элементов является ₉₂U, более тяжёлые элементы получены искусственно.

Кроме ядра, могут распадаться и нуклоны — протоны и нейтроны. Это характерно для атомов любой массы (β-распад).

α- и β-распады сопровождаются γ-излучением.