32) Изотопы. Искусственное превращение атомных ядер. Открытие нейтрона.

Ответ: Изотопы- Это элементы с одинаковыми химическими свойствами, различающимся в других отношениях, в частности своей радиоактивностью. (Содди назвал их изотопами т.е. занимающими одинаковые места). Пример: относительная масса урана бывает 238, 235 и тд. но все же это уран. Все химические элементы имеют изотопы. Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но масса различны.

Искусственное превращение атомных ядер. Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящими носителями большой энергии в то время были -частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций, и их результаты не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна -частица на каждые 50 000 -частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром азота, что и приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода:

Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов.

Открытие нейтрона. Нейтрон- элементарная частица, не имеет электрического заряда, его масса больше массы протона приблизительно на 2,5 электронных массы. Открыт в 1932 г английским физиком Д. Чедвиком.

Чедвик наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. По его оценке, энергия -квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, которая обнаруживалась в этих наблюдениях, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные лее наблюдения в камере Вильсона треков ядер аргона привезли к выводу, что энергия этих гипотетических -квантов должна составлять 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с безмассовыми частицами, исследователи пришли к явному противоречию: одни и те же -кванты обладали различной энергией.

Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию. Ну вот так они пришли к выводу что эта энергия новая и назвали- нейтроном.

33) Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Удельная энергия связи.

Ответ: Согласно протонно-нейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А: А = Z + N.

Ядерные силы. Между ядерными частицами протона и нейтрона действуют особые силы- это ядерные силы. Ядерные силы в 100 раз превосходят электрические (кулоновские), это самые мощные силы, именно поэтому взаимодействие ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями. Другая важная особенность ядерных сил- их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра ( — см).

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией: . Точнейшие измерения показывают, что масса покоя ядра меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов: . Существует дефект масс: когда разность масс положительна :

Удельная энергия связи- энергию связи, приходящеюся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментально. Из рисунка 183 хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон

Кривая это слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему но порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

34) Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции.

Ответ: Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, -частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей. Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Почему? потому что:

1. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка МэВ то есть больше той которую имеют частицы.

2. можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (заряд протонов вдвое меньше заряда -частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше).

3. можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Энергетический выход ядерных реакций. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.

Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии. В противном случае реакция идет с поглощением энергии. Именно такая реакция происходит при бомбардировке азота -частицами. Часть кинетической энергии (примерно 1,2 • 106 эВ) переходит в процессе этой реакции во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра. Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть огромной. Но использовать ее практически нельзя.

Ядерные реакции на нейтронах. Так как нейтроны не имеют заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения. Например, наблюдается следующая реакция: . Энрико Ферми обнаружил , что ядерные превращения вызывают не только быстрыми но и медленными нейтронами. Причем медленные были эффективнее. Быстрые электроны замедляли. Замедление нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде.

Деление ядер урана. Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом иФ. Штрассманом. Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.

Механизм делении ядра. Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон (рис а), оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рис б). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке (рис в). После этого оно разрывается на две части (рис г). Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления. Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Цепные Ядерные реакции. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии.

Изотопы урана. Естественный уран состоит в основном из двух изотопов: . Но изотоп составляет всего 1/140 долю от более распространенного изотопа .

Коэффициент размножения нейтронов. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Подсменой «поколений» понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого «поколения» и рождаются новые нейтроны.

Коэффициент размножения определяется четырьмя фактами:

1) захватом медленных нейтронов ядрами с последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами также с последующим делением;

2) захватом нейтронов ядрами урана без деления;

3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем (о нем сказано дальше) и конструктивными элементами установки;

4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Образование плутония. Важное значение имеет не вызывающий деления захват нейтронов ядрами изотопа урана . После захвата образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. Распад происходит с испусканием электрона и антинейтрино и возникновением первого трансуранового элемента — нептуния:

Нептуний 7.02-42.jpg-радиоактивен с периодом полураспада около двух дней. В процессе распада нептуния образуется следующий трансурановый элемент — плутоний:

35) Ядерный реактор: основные элементы ядерного реактора, критическая масса, реакторы на быстрых нейтронах, первые ядерные реакторы. Термоядерные реакции.

Ответ: Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Ядра урана, особенно ядра изотопа и, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители (в качестве замедлителя используется обычная вода) нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов. Процессы в ядерном реакторе схематически изображены на рисунке 187.

Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее( , замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содерлсащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглои^иот нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей -излучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.

схема энергетической установки с ядерным реактором.

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой еще может протекать цепная ядерная реакция.

Реакторы на быстрых нейтронах. Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами, мала, то такие реакторы не могут работать на естественном уране. Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящейся материал.

Первые ядерные реакторы. Впервые ценная ядерная реакция деления урана была осущесвлена в США коллективом ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.

В нашей стране первый ядерный редактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял наш замечательный ученый Игорь Васильевич Курчатов.

Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон.

Экономически выгодная реакция, как показывают расчеты, может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин, основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки в течение 0,1 — 1 с.

На установке «Токамак» удалось получить. плазму температурой 1,3 • 107 К. Однако проблема ее удержания еще не решена. При термоядерных реакциях не образуются радиоактивные отходы. В настоящее время существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.