На головну

Розпад і синтез ядер

  1.  C. Радіоактивністю називається мимовільний розпад нестійких ядер з випусканням інших ядер і елементарних частинок.
  2.  III. Любов і її розпад в сучасному суспільстві.
  3.  IX. Єдиний алгоритм синтезу нових понять зі старих
  4.  VIII. Синтез нових понять зі старих
  5.  А) Синдром порушення соматосенсорних аферентних синтезів.
  6.  А. Синтез кортизолу
  7.  Серпневого путчу 1991 р Розпад СРСР

Дефект маси і енергія зв'язку. Маса ядра визначається масою що входять до його складу нейтронів і протонів. Оскільки будь-який ядро ??складається з Z протонів і N = A -Z нейтронів, де А - Масове число (число нуклонів в ядрі), то на перший погляд маса ядра повинна просто дорівнювати сумі мас протонів і нейтронів. Однак, як показують результати вимірювань, реальна маса завжди менше такої суми. Їх різниця отримала назву дефекту маси Dm.

Енергія - одна з найважливіших характеристик протікання будь-яких фізичних процесів. У ядерній фізиці її роль особливо велика, оскільки непорушність закону збереження енергії дозволяє робити досить точні розрахунки навіть в тих випадках, коли багато деталей явищ залишаються невідомими.

Розірвати ядро ??на окремі нуклони "можна, лише запровадивши в нього ззовні будь-яким способом енергію не менш тієї, що виділилася в процесі його освіти. Це і є повна енергія зв'язку ядра Есв. З енергією зв'язку безпосередньо пов'язано походження дефекту маси. Відповідно до формули:

Есв= Dmc2

зменшення енергії системи при утворенні ядра на якусь величину має неминуче приводити до зменшення загальної маси. Така зміна маси відбувається при будь-яких процесах, пов'язаних, з передачею енергії. Але в звичних для нас явища зміни маси відносно малі й непомітні. В ядерних же явищах через великого значення ядерних сил зміна маси вельми значно. Так, для ядра неону дефект маси становить майже 1% маси ядра.

Середня енергія зв'язку одного нуклона в ядрі. Якщо розділити величину "пішла" при утворенні ядра енергії на повне число нуклонів, то вийде середня енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон в ядрі, або питома енергія зв'язку, що дорівнює Есв / А. Питома енергія зв'язку залежить від масового числа. Для більшості ядер значення середньої питомої енергії зв'язку виявляються приблизно однаковими (виняток становлять легкі і важкі ядра).

У кожного нуклона є обмежений запас можливостей взаємодії, і якщо цей запас вже витрачено на зв'язок з двома-трьома сусідніми нуклонів, то інші зв'язку виявляються ослабленими навіть на дуже близьких відстанях.

Найбільш міцними є ядра з середніми масовими числами. У легких ядрах все або майже все нуклони лежать на поверхні ядра, і тому не в повній мірі використовують свої можливості взаємодії, що трохи зменшує питому енергію зв'язку. З ростом масового числа збільшується частка нуклонів, що лежать всередині ядра, які свої можливості використовують повністю, тому значення питомої енергії, Зв'язки поступово збільшується. При подальшому збільшенні масового числа починає все сильніше позначатися взаємне відштовхування електричних зарядів протонів, яке прагне розірвати ядро ??і тому зменшує питому енергію зв'язку. Це призводить до того, що всі важкі ядра виявляються нестабільними.

Радіоактивність. Французький фізик А. А. Беккерель (1832-1908) 1 березня 1896 р виявив по почорніння фотопластинки випускання сіллю урананевідімих променів сильної проникаючої здатності; Незабаром він з'ясував, що властивістю випромінювання володіє сам уран. радіоактивність (Таку назву отримало відкрите явище) виявилася привілеєм найважчих елементів таблиці Менделєєва. Це явище визначають як мимовільне перетворення нестійкого ізотопу одного елемента в ізотоп іншого, при цьому відбувається випущення електронів, протонів, нейтронів або ядер гелію (альфа-частинок). Було встановлено, що радіоактивність - вельми поширене явище. Атомні ядра, які відрізняються числом нейтронів і протонів, мають загальну назву - нукліди. З 1500 відомих нуклідів тільки 265 - стабільні. Серед елементів, що містяться в земній корі, радіоактивними є все з порядковими номерами більше 83, т. Е. Розташовані в періодичній системі після вісмуту. У них взагалі немає стабільних ізотопів (Ізотопи - різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, що відрізняються числом нейтронів в складі ядра). Природна радіоактивність виявлена ??у окремих ізотопів і інших елементів. Природні радіоактивні ізотопи відчувають розпад, що супроводжується випусканням альфа-або бета-частинок (дуже рідко обох видів).

У 1940 р радянські вчені Т. Н. Флерів і К. А. Петржак виявили новий вид радіоактивних перетворень - спонтанне ділення ядер. Випускання гамма-променів не призводить до перетворень елементів і тому не вважається видом радіоактивних перетворень. Таким чином, число способів радіоактивного розпаду природних ізотопів дуже обмежено. Проте нині відомі й інші способи, вони були відкриті або передбачені після того, як в. 1934 р французькі фізики, подружжя Ірен (1897-1956) і Фредерік (1900-1958) Жоліо-Кюрі, спостерігали явище штучної радіоактивності. В результаті ядерних реакцій (наприклад, при опроміненні різних елементів альфа-частками або нейтронами) утворюються не існує у природі радіоактивні ізотопи. І. та Ф. Жоліо-Кюрі здійснили ядерну реакцію, продуктом якої був радіоактивний ізотоп фосфору з масовим числом 30. Цей тип перетворень називають бета-плюс розпадом, маючи на увазі під бета-мінус випущення електрона. В ході бета-плюс розпаду заряд ядра зменшується на 1. Таке ж його зміна відбувається при так званому орбітальному захопленні: деякі ядра можуть захоплювати електрон з найближчих оболонок. Це теж вид радіоактивних перетворень. Прийнято бета-плюс, бета-мінус розпади і епсилон- захоплення об'єднувати під загальною назвою бета-розпаду. Теоретики передбачили можливість подвійного бета-перетворення, при якому одночасно випускаються два електрони або два позитрона. На практиці цей шлях поки не виявлено. Спостерігалася також протонна і двухпротонная радіоактивність. Всім цим видам перетворень схильні тільки штучні ізотопи, що не зустрічаються в природі.

Радіоактивність характеризується не тільки видом частинок, що випускаються, а й їх енергією, яка може в мільйони разів перевершувати енергію хімічних процесів. Для кожного окремого ядра передбачити заздалегідь момент розпаду абсолютно неможливо. Час життя ядра - випадкова величина. На швидкість радіоактивного розпаду не можна вплинути зовнішніми факторами - тиском, температурою і ін. Спонтанний характер розпаду є однією з найбільш важливих його особливостей.

Хоча все ядра живуть різний час від моменту утворення до моменту розпаду, для кожного радіоактивного речовини існує цілком визначене середній час життя ядер. Швидкість розпаду підкоряється закону радіоактивного розпаду, вираженого формулою

Nt= N0e-lt,

де l - Постійна радіоактивного розпаду, Nt - число нераспавшіхся ядер в момент часу t, N0 - початкове число нераспавшіхся ядер (в момент t= 0).

Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Ця реакція була відкрита в 1939 р .: з'ясувалося, що при попаданні в ядро ??одного нейтрона воно ділиться на дві-три частини. При розподілі одного ядра звільняється близько 200 МеВ енергії. На кінетичну енергію руху осколків йде близько 165 МеВ, решта забирає гамма-випромінювання (частина електромагнітного випромінювання з дуже малою довжиною хвилі) - потік фотонів. Можна підрахувати, що при повному розподілі 1 кг урану виділиться 80 000 млрд. Дж. Це у кілька мільйонів разів більше, ніж при спалюванні 1 кг вугілля або нафти. Було б дивно цю енергію не використовувати.

У 1939 р було виявлено, що при розподілі ядер урану, крім осколків, вилітають також 2- 3 вільні нейтрони. При сприятливих умовах вони можуть потрапити в інші ядра урану і викликати їх поділ.

Практичне здійснення ланцюгових реакцій утруднено деякими обставинами. Зокрема, вторинні нейтрони здатні викликати розподіл лише ядер ізотопу урану з масовим числом 235:

для руйнування же ядерізотопу урану-238 їх енергія виявляється недостатньою. В, природному урані міститься приблизно 0,7% урану-235. Необхідна умова для здійснення ланцюгової реакції - наявність досить великої кількості урану-235, так як в зразку малих розмірів більшість нейтронів пролітає наскрізь ,, не потрапивши, ні в одне ядро. Мінімальна (критична) маса для чистого урану-235 становить кілька десятків кілограмів.

Термоядерний синтез. Так як між атомними ядрами на малих відстанях діють ядерні сили тяжіння, при зближенні двох ядер можливо їх злиття, т. Е. Синтез більш важкого ядра. Щоб ядра могли подолати електростатичне відштовхування і зблизитися, вони повинні мати достатню кінетичну енергію. Відповідно найпростіше здійснюється синтез легких ядер з малим електричним зарядом.

У природі реакції синтезу відбуваються в дуже гарячому речовині, наприклад в надрах зірок, де при температурі близько 14 млн. Градусів (центр Сонця) енергія теплового руху деяких частинок достатня для подолання відштовхування. Ядерний синтез, що відбувається в розігрітому речовині, називають термоядерним.

Особливість термоядерних реакцій як джерела енергії - дуже велика її виділення на одиницю маси реагуючих речовин в 10 млн. Разів більше, ніж в хімічних реакціях. Вступ в синтез 1 грама ізотопів водню еквівалентно згорянню 10т бензину. В принципі вже сьогодні енергію термоядерного синтезу можна отримати на Землі. Нагріти речовина до зіркових температур можна, використовуючи енергію атомного вибуху. Так влаштована воднева бомба, де вибух ядерного запалу призводить до миттєвого нагрівання суміші дейтерію з тритієм і подальшого термоядерного вибуху. Але це некерований процес.

Для здійснення керованого термоядерного синтезу потрібно кілька умов. По-перше, потрібно нагріти термоядерна пальне до. температури, коли реакції синтезу можуть відбуватися з помітною ймовірністю. По-друге, необхідно, щоб при синтезі виділялося більше енергії, ніж її витрачається на нагрів речовини (або, ще краще, щоб народжуються швидкі частинки самі підтримували необхідну температуру). Це можливо за умови гарної ізоляції.

Найлегше здійснити синтез між важкими ізотопами водню - дейтерій і тритій (рис. 5.1). Дейтерій є на Землі у величезних кількостях в морській воді (1 атом на 6000 атомів водню); тритій можна отримати штучно, опромінюючи літій нейтронами.

Для здійснення термоядерної реакції найбільш вигідна температура близько 100 млн. Градусів. Що стосується часу утримання енергії, т. Е. Якості ізоляції, то в даному випадку умова наступне: плазма з щільністю 1014 іонів в 1 см3 повинна помітно остигати не швидше ніж за 1 секунду.

Рис.5.1. термоядерний синтез

Утримання плазми від попадання на теплоізолюючі стінки Здійснюється за допомогою магнітних полів, що направляють потік частинок по спіралі, замкнутої в кільце. Так як плазма складається з іонів і електронів, магнітне поле має на неї прямий вплив.

Для нагріву можна використовувати струм, що протікає по плазмовому "шнуру". Є й інші способи нагріву - високочастотними електромагнітними хвилями, пучками швидких частинок, світловими пучками, що генеруються лазерами. Чим більше потужність нагріває пристрою, тим швидше можна нагріти плазму до необхідної температури. Останні розробки дозволяють це робити за такий короткий час, що речовина встигає вступити в реакцію синтезу раніше, ніж розлетітися через теплового руху. В таких умовах додаткова термоізоляція виявляється непотрібною. Єдине, що утримує частки від розльоту, це їх власна інерція. Даний напрямок - інерційний термоядерний синтез - посилено розвивається в Останнім часом.




 Концепція сучасного природознавства |  Природознавство в світі, що змінюється |  Природознавство і навколишнє середовище |  Фундаментальні та прикладні проблеми природознавства |  Принципи наукового пізнання дійсності |  Істина - предмет пізнання |  Математична гармонія природи |  Темпи розвитку науки |  Антинаукові тенденції в розвитку науки |  Природознавство і моральність |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати