Экспериментальные методы ядерной физики

 

Из-за исключительной малости ядер применяют косвенные методы их исследования: регистрация частиц, столкновение и взаимное превращение ядер и элементарных частиц. В основе методов регистрации лежат ионизирующие, фотохимические и некоторые другие свойства изучаемых частиц. Наиболее распространенны трековые методы (камера Вильсона, пузырьковая камера, метод толстослойных фотоэмульсий) и метод счета числа частиц (счетчик Гейгера, сцинтилляционный счетчик).

Пользуясь материалом учебника, изучить самостоятельно вопрос «Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц» и заполнить таблицу.

Название устройства	Основные элементы установки	Рабочее вещество	Принцип действия	Преимущества	Применение

 

1. В чем различие принципов действия камеры Вильсона и пузырьковой камеры?

2. Почему треки частиц, наблюдаемые в камере Вильсона, быстро исчезают?

3. Почему трек электрона в однородном магнитном поле в пузырьковой камере имеет вид спирали?

4. Какого вида излучение регистрирует счетчик Гейгера?

5. Почему радиусы кривизны на разных участках трека одной и той же частицы различны?

6. Можно ли в камере Вильсона наблюдать треки заряженных частиц со временем жизни ?

7. Почему пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона может регистрировать частицы с большей энергией?

8. Что можно определить по толщине трека в камере Вильсона?

9. Скорость α-частиц в среднем в 15 раз меньше скорости β-частиц. Почему α-частица (жирный след на рисунке) слабее отклоняется магнитным полем?

10. На рисунке показаны треки двух частиц в камере Вильсона. Каков знак заряда частиц, если линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости чертежа и направлены от наблюдателя? Одинакова ли масса частиц?

ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

 

-

ФАКТЫ

  1896г. Беккерель (фран.) - явление естественной радиоактивности

- Выделение в радиоактивном излучении a, b, g лучей

Явление естественной радиоактивности – явление самопроизвольного изменения атомных ядер.

Свойства радиоактивного распада:

· Не зависит от внешних условий (скорость распада

· постоянна )

· Выделяется энергия (1г. Ra за 1 час-582 Дж)

· Распад ядер - случайное явление.

 

 

1.

МОДЕЛЬ

Т- период полураспада²³⁸U – 4,5 млрд. лет

                                                                          ²²⁶Ra – 1600 лет

                                                                            ⁸⁴Ро – 3 мин.

                                                                ⁸⁶Rn – 10^-6 с

2.  - активность [A]= Бк (беккерель)

 

3. Законы сохранения – заряда, энергии, импульса

4. Правило смещение     

                   g - излучение не вызывает изменения атомных ядер

4. Закон радиоактивного распада

                                                         

                                                                                        

        

                                                                                                                                        

 N₀ – число нераспавшихся радиоактивных атомов в начальный момент времени

N₀ – число нераспавшихся радиоактивных атомов в момент времени t

 

                 Распад ядер – случайное явление!

-

СЛЕДСТВИЕ

Образование новых веществ (трансурановые элемента)

- Ионизирующие действия радиоактивного излучения

- Радиоуглеродный метод определения возраста ископаемых пород и останков древних организмов

- Радиоактивный метод измерения времени

- Расчет изменения активности радиоактивных веществ

- Метод меченных атомов.

Вопросы и задания по теме «ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ»

1.1 Беккерель долгое время исследовал свечение веществ, предварительно облучённых солнечным светом. К таким веществам принадлежат соли урана. Однажды в 1896 году опыт не удался из-за облачной погоды и Беккерель убрал фото пластинку в ящик стола, положив на неё медный крест, покрытый солью урана. Почему после проявления фотопластинки на ней обнаружилась почернение в форме креста?

1.2  Почему явление радиоактивности служит одним из доказательств сложности строении атома?

1.3 Является ли радиоактивный распад ядерной реакцией?

1.4 Под действием какой силы отклоняются  и   лучи в магнитном поле?

1.5 Можно ли изменить активность радиоактивного распада внешними условиями?

1.6 Почему радиоактивные препараты хранятся в толстых свинцовых сосудах?

2.1 Каким видом излучения сопровождается  и  распад?

2.2 Почему закон радиоактивного распада является статистическим законом?

2.3 Почему интенсивность излучения урана, тория, радия на протяжении суток, месяцев и лет заметно не изменяется?

2.4 Во что превратиться изотоп тория Th, ядра которого претерпевают 3  распада?

2.5 Записать реакцию непосредственного превращения актиния – 227 во франций - 223?

2.6 По графику зависимости активности радиоактивного вещества от времени по графику ответить на вопросы:

Каков период полураспада вещества? Сколько атомов распалось за время, равное полупериоду, двум полупериодам? Как изменится активность (число распадов в сек.) через промежуток времени, равный периоду полураспада? Определить среднее время жизни радиоактивного ядра:  = 1,4 Т

3.1 В клетчатке только что спиленного дерева каждый грамм вещества излучает в среднем 17,5 бета-частиц в течение 1 минуты. Так как это дерево уже не поглощает углерод из атмосферы, то активность древесины непрерывно уменьшаться. По остаточной активности деревянного изделия можно определить, когда оно спилено. Определить возраст деревянного изделия, если за это время распалась половина радиоактивных ядер . Период полураспада 5600 лет.

3.2 На чем основан метод меченных атомов. Где применяются радиоактивные изотопы?

АТОМНОЕ ЯДРО

-

ФАКТЫ

1919 г. - опыт Э. Резерфорд (англ. ) (существование ядра).

                

- 1932 г. – опыт И. Кюри, Ф. Жолио-Кюри (фран.)

                

1.

МОДЕЛЬ

A=Z+N

Протонно-нейтронная модель атома                          

              (1932 г. Д. Иваненко, В. Гейзенберг)

зарядово независимо

                   НУКЛОНЫ – ядерные частицы      

2. Капельная модель

3.

интенсивное

короткодействующие

Ядерное взаимодействие

 

 

4.

Есв.= D mc2

Энергия связи- энергия, необходимая

для расщепления ядра на отдельные нуклоны

дефект масс  

5. Удельная энергия связи - энергия связи,

                 приходящаяся на один нуклон 

 

-

СЛЕДСТВИЕ

  Кривая зависимости e(А)

 

	Устойчивость ядер!

 

 

- Выделение энергии: 1) при делении тяжелых ядер

            2) при термоядерном синтезе

 

   

- Изотопы – химические элементы, с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов

- Химические элементы – природные смеси изотопов.

Вопросы и задания по теме «АТОМНОЕ ЯДРО»

1.1 Почему в природе нет заметного количества нейтронов?

1.2 Какой вопрос возникал в связи с гипотезой о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов? Какое предположение выдвинули ученые?

1.3 Почему нейтрон был открыт значительно позднее протона и электрона?

2.1 Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядре ?

2.2 На основании какого закона можно утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра?

2.3 Быстролетящий нейтрон проникает в ядро. Изменится ли при этом энергия связи ядра?

2.4 Какое ядро устойчивее – то, у которого больше энергия связи или удельная энергия связи?

3.1 Раньше полагали, что химические свойства элементов определяются его атомной массой. Докажите несправедливость утверждения.

3.2 Почему ядра не изменяются при химических реакциях, при испускании и поглощении света атомами?

3.3 Определить относительную атомную массу хлора, если известно, что хлор имеет 2 изотопа с атомными массами 35 и 37, причём  - 70%,  - 30%.

3.4 Пользуясь графиком зависимости удельной

энергии связи от массового числа (см. конспект), охарактеризуйте ядра лёгких, средних, и тяжёлых элементов? Ядра каких элементов являются наиболее устойчивыми? Почему ядра тяжёлых элементов не стабильны? Что значит поверхностный эффект для лёгких ядер?

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

	ФАКТЫ

- 1938 г. О. Ган, Ф. Штрассман (нем.) – опыты по бомбардировке ядер урана нейтронами

	МОДЕЛЬ

1. Капельная модель

                 Н. Бор (дат.) 

2. Ядерная реакция 1939 г.

   Л. Мейтнер (австр.), О. Фриш (англ.)

 

 

3. Закон сохранения зарядового и массового числа, закон сохранения энергии

СЛЕДСТВИЕ

- Цепная ядерная реакция – это реакция, в которой частицы вызывающие эту реакцию образуются в процессе деления ядра;

 

 

- Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении;

k=1 - управляемая ядерная реакция

k>1- неупраляемая ядерная реакция

k<1 – цепная реакция невозможна

- Критическая масса (m_кр.) – минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция                                    

-

ПРИМЕНЕНИЕ

Получение изотопов

- Получение ядерного топлива (бридеры)

- АЭС

- Атомное оружие

Вопросы и задания по теме «ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА»

 

1.1  Какое открытие сделали О. Ган и Ф. Штрассман в результате опытов по бомбардировке ядер урана нейтронами?

2.1 Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого нейтрона?

2.2 Почему в опытах по делению ядер урана нейтроны являются лучшими «снарядами» для бомбардировки атомных ядер?

2.3 В каком виде выделяется энергия при делении ядер урана?

3.1 Какие из перечисленных ниже условий являются обязательными для осуществления цепной ядерной реакции:

а). наличие достаточно большое количество урана;

б). высокая температура урана;

в). освобождение при каждом делении 2-3 нейтронов?

3.2 От каких факторов может зависеть коэффициент размножения нейтронов?

3.3 Найти количество угля, которое даёт при сжигании ту же энергию, что и 1кг . При делении 1 ядра урана выделяется примерно 200МэВ энергии (недостающие данные взять из справочника).

3.4 Почему цепная реакция не осуществляется в природном уране?

3.5 Деление ядер изотопа урана с массовым числом 238 не происходит, нейтроны захватываются этими ядрами. В бридерах- реакторах на быстрых нейтронах, из урана- 238 получают «вторичное горючее» плутоний 239. Записать уравнение ядерной реакции.

Домашнее задание

Подготовить сообщения по темам: «Ядерное оружие», «Проблемы ядерной энергетики», «Состояние ядерной энергетики в России», «Уроки Чернобыля».

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ