Атомное ядро и основы ядерной энергетики

Состав и характеристики ядра

Людей всегда интересовал вопрос из чего состоит материя. Еще до новой эры считалось, что вещества состоят из неделимых частиц – атомов. Открытие электрона и опыты Резерфорда по рассеянию -частиц указали на сложное строение атома. Отдельные -частицы отклонились на угол , что свидетельствовало о том, что в атоме существует сконцентрированный положительный заряд. Резерфорд предложил планетарную модель атома. В центре атома сосредоточена основная его масса и весь положительный заряд. Эта область атома получила название ядра.

Размеры атома м, а размеры ядра м масса ядра составляет массы атома. В нейтральном атоме электронов. Заряд ядра положительный и кратен элементарному заряду Кл. Заряд ядра можно представить как , где - зарядовое число, оно совпадает с химическим номером таблицы Менделеева и равно числу протонов, входящих в ядро.

Второй важнейшей характеристикой ядра является его масса. Масса ядра оказалась больше суммы масс протонов, входящих в ядро. Было сделано предположение, что в состав ядра входят нейтральные частицы. В 1932 году Чедвиг открыл нейтроны. Иваненко и Гейзенберг предложили протонно-нейтронную теорию ядра. Ядро расщепляется на протоны и нейтроны. Они называются нуклонами. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом . Общее число нейтронов равно . Масса покоя протона равна кг, масса нейтрона равна кг.

Ядро химического элемента обозначают тем же символом, что и нейтральный атом , где - атомный номер (заряд ядра), - массовое число (число нуклонов в ядре). Ядра с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым, называются изотопами (изотопы различаются числом нейтронов). Ядра с одинаковым массовым числом, но с разным зарядовым, называются изобарами.

Водород имеет три изотопа: - протий, - дейтерий, - тритий.

Пример изобар: , , .

Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами, определяемые структурой электронных оболочек, которые одинаковы для всех изотопов.

Радиус ядра задается эмпирической формулой: , где м. Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре ( ), поэтому плотность ядра одинакова для всех веществ.

Энергия связи и дефект масс

Экспериментально установлено, что энергия ядра меньше, чем энергия частиц, из которых оно состоит ( ). Поэтому для расщепления ядра на составные части нужно затратить энергию. Энергия, которую нужно затратить для расщепления ядра, называется энергией связи ядра.

Точные масс-спектроскопические измерения показали, что масса ядра меньше массы составляющих его нуклонов. Но так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии ( - скорость света), то при образовании ядра должна выделяться энергия. Из закона сохранения энергии следует, что для расщепления ядра на составные части необходимо затратить столько же энергии, сколько ее выделяется при его образовании. Энергия связи является одной из важнейших величин, характеризующих прочность ядра. Итак, энергия связи равна: , где - энергия всех нуклонов, - энергия ядра.

.

(1)

Следовательно

.

Эта величина называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса ядра при образовании его из нуклонов. Часто вместо энергии связи используют удельную энергию связи. Это энергия связи, приходящаяся на один нуклон . Она характеризует устойчивость атомных ядер. Чем она больше, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа (рис.1).

Рис.1.

Для легких ядер ( ) удельная энергия связи круто возрастает до МэВ, затем медленно возрастает до максимальной величины МэВ для элементов с , потом постепенно уменьшается у тяжелых элементов (для - 7,6 МэВ). Для сравнения энергия связи валентных электронов в атоме равна 10эВ, то есть в раз меньше.

Наиболее устойчивы ядра у средних элементов таблицы Менделеева, тяжелые и легкие менее устойчивы. Отсюда следует, что энергетически выгодны следующие процессы:

1. деление тяжелых ядер на более легкие с выделением атомной энергии.
2. слияние легких ядер в более тяжелые с выделением термоядерной энергии.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии.

Ядерные силы

Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных). Между составляющими ядро нуклонами действуют силы, значительно превышающие кулоновское отталкивание протонов в ядре. Ядерные силы удерживают нуклоны в ядре на расстоянии м несмотря на кулоновское отталкивание. Ядерное взаимодействие между нуклонами называется сильным взаимодействием.

Особенности ядерных сил:

1. ядерные силы являются силами притяжения
2. ядерные силы короткодействующие (на расстояниях м)
3. ядерные силы не зависят от заряда нуклонов
4. ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов (протон и нейтрон образуют дейтрон только при антипараллельной ориентации спинов)
5. ядерные силы обладают свойством насыщения (каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов)
6. ядерные силы имеют обменный характер (обмен -мезонами)
7. ядерные силы не центральные

В 1947 году были открыты -мезоны, которые и обуславливают ядерное взаимодействие. Существуют , и -мезоны. Заряды и равны элементарному заряду , а массы - , где - масса электрона. Масса -мезона равна . Все эти частицы нестабильны. Время жизни и равно с, а для - с.

Расчеты показывают, что за это время жизни -мезоны могут удаляться от нуклона на расстояние м, то есть на расстояние действия ядерных сил. Существуют -мезоны только в присутствие своего носителя протона (p) и нейтрона (n). p и n «дышат» -мезонами.

Если нуклоны сближаются, то облака мезонов перекрываются. Происходит перемешивание мезонов и их поглощение. -мезон связывается протоном, а - нейтроном:

Протон испускает -мезон, а нейтрон его поглощает. Протон превращается в нейтрон, а нейтрон – в протон. Они меняются в ядре местами. Протон и нейтрон – два состояния нуклона.

Радиоактивность

В 1896 году при изучении люминесценции солей урана Беккерель обнаружил испускание лучей неизвестной природы, которые действуют на фотопластинку. Действие лучей стабильное. Уран испускает лучи, которые проходят через металл, ионизируют газ. Особенность этого излучения – независимость от внешних условий. В 1898 Пьер и Мария Кюри обнаружили еще два радиоактивных элемента – полоний и радий. Радий обладает мощным излучением. Все вещества, испускающие новое излучение, называются радиоактивности, а свойство излучать – радиоактивностью.

Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:

1. слабо отклоняемый пучок положительных частиц ( -излучение)
2. сильно отклоняемый пучок отрицательных частиц ( -излучение)
3. не отклоняемый пучок ( -излучение)

-частицы – поток ядер гелия с зарядом и массовым числом ( ). Скорость -частиц равна . Попадая в вещество -частицы активно взаимодействуют с атомами и молекулами, ионизируют и возбуждают его. Когда энергия -частицы уменьшается до теплового движения, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия ( ). До этого она проходит путь, называемый пробегом. Из-за сильного взаимодействия с веществом пробег малый. Лист бумаги или одежда задерживают -частицы. Лист алюминия толщиной 0,05 мм также задерживает -частицы. Ионизирующая способность -частиц велика и равна пар на длине пробега.

-частицы – это поток электронов, вылетающих из ядер со скоростью . Ядро испускает электрон при превращении нейтрона в протон:

,

где - обозначение электрона, - электронное антинейтрино.

Ионизирующая способность -частиц в сотни раз меньше, чем у -частиц, а проникающая способность больше. -излучение задерживается слоем алюминия толщиной в 2мм.

-излучение, жесткое электромагнитное излучение ( м). Его ионизирующая способность слабая и очень большая проникающая способность (проходит через слой свинца толщиной 5см).

Выброс и -частиц сопровождается превращением атомных ядер. Материнским называется ядро испытывающее радиоактивный распад. Возникающее дочерние ядро оказывается возбужденным и его переход в основное состояние сопровождается испусканием -кванта. При всех превращениях выполняются законы сохранения заряда, массы и импульса.

Пусть - материнское ядро, - дочернее ядро, тогда справедливы правила смещения:

-распад -распад

Из этих правил следует, что в результате - и -распадов ядра атомов радиоактивных элементов превращаются в ядра изотопов других элементов. В ряде случаев дочернее ядро является радиоактивным и возникает цепочка радиоактивных превращений.

Число нераспавшихся ядер со временем убывает, а число дочерних – растет. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

,

где - число ядер в начальный момент, - число ядер в момент времени , - постоянная распада равная доле ядер, распавшихся в единицу времени.

Средняя продолжительность жизни радиоактивного элемента выражается формулой: . Период полураспада характеризует продолжительность данного распада: или . Отсюда .

Период полураспада колеблется от с до лет.