Открытие нейтрона. Открытие протона. Протонно - нейтронная модель ядра. Нуклоны.

Открытие нейтрона. В начале 30-х гг. были обнаружены неизвестные ранее лучи. Они были названы бериллиевым излучением. так как возникали при бомбардировке альфа - частицами бериллия.
В 1932 г английский учёный Джеймс Чедвик (ученик Резерфорда) с помощью опытов, проведённых в камере Вильсона, доказал, что бериллиевое излучение представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Отсутствие у исследуемых частиц электрического заряда следовало, в частности, из того, что они не отклонялись ни в электрическом, ни в магнитном поле. А массу частиц удалось оценить по их взаимодействию с другими частицами.
Эти частицы были названы нейтронами (ни тот, ни другой).

Открытие протона. В 1913 г. Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода.

Основание: массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз (т.е. кратны ей).

В 1919 г. Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия альфа - частиц с ядрами атомов азота.

В этом опыте альфа - частица, летящая с огромной скоростью, при попадании в ядро атома азота выбивала из него какую- то частицу. По предположению Резерфорда, этой частицей было ядро атома водорода, которое Резерфорд назвал протоном (первый).

Нуклон. Так как протон и нейтрон по взаимодействию ядерными силами не отличаются друг от друга, их часто рассматривают как одну частицу нуклон в двух различных состояниях (ядро). Нуклон в состоянии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с положительным электрическим зарядом называется протоном.

Одно из замечательных свойств ядерных сил — свойство насыщения — заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно лишь с небольшим числом нуклонов-соседей. Свойство насыщения ядерных сил делает их в некоторой мере сходными с силами связи атомов в молекулах.

68. Фундаментальные взаимодействия в природе. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.

Фундаментальными называются такие взаимодействия, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействия. Их в настоящее время известно четыре: ядерное, электромагнитное, слабое, гравитационное.

Ядерные силы. Между одноименно заряженными протонами в атомном ядре действуют электростатические силы отталкивания. В тяжелых ядрах, состоящих из нескольких десятков протонов, силы кулоновского отталкивания достигают нескольких тысяч ньютон.

Факт существования устойчивых атомных ядер свидетельствует о действии внутри атомных ядер могучих сил притяжения неизвестного ранее вида. Их называют ядерными силами.

Свойства ядерных сил: • На расстоянии 10 м от центра протона ядерные силы примерно в 35 раз больше кулоновских и в 1038 раз больше гравитационных.

• С увеличением расстояния ядерные силы очень быстро убывают

• Ядерные СИЛЫ не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у частицы.

Энергия связи. Ядра представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами существует кулоновское отталкивание.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро значит разорвать связи между нуклонами или, иными словами, совершить работу против сил связи между ними. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться та же энергия, которую необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его частицы.
Измерение масс ядер показывает, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, т.е. при образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение их массы, потеря некоторой её части.
Разность между суммой масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которых образовано ядро, и массой ядра называется дефектом массы ядра.

69. Свойства ионизирующих излучений.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на один из удалённых от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, во втором — ионизация атома.
длина пробега частицы зависит от её заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию.
Благодаря небольшой проникающей способности альфа и бета - излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-частицы. Но при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом альфа- и бета излучения могут причинить человеку серьезный вред.
Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов.

Гамма - кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам.
Потоки гамма - квантов и нейтронов — наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.
Поглощённая доза ионизирующего излучения. Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощённая доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Основа физического воздействия ядерных излучений на живые организмы — ионизация атомов и молекул в клетках.
Организм млекопитающего состоит примерно на 75 % из воды. Процессы ионизации и химических взаимодействий продуктов ионизации происходят в клетке за миллионные доли секунды. Биохимические изменения в клетке, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке, начинаются сразу после момента облучения, но не завершаются за короткое время. Некоторые следствия биохимических изменений в клетке проявляются уже через несколько секунд после облучения, другие могут привести к гибели или её раковому перерождению через десятилетия.
Одним из первых следствий действия облучения на живую клетку является нарушение её функции деления как самой сложной функции. Поэтому в первую очередь нарушаются функции органов и тканей организма, в которых происходит деление клеток, образование новых клеток.

Острое поражение. Острым поражением называют повреждение живого организма, вызванное действием больших доз облучения и проявляющееся в течение нескольких часов или дней после облучения, при этом начинаются нарушения в работе кроветворной системы человека.
Естественный фон облучения. Проблема биологического влияния ионизирующих излучений на живые организмы и установления значений относительно безопасных доз облучения тесно связана с фактом существования естественного фона ионизирующей радиации на поверхности Земли. Радиоактивность не была изобретена учёными, а была лишь открыта ими. Суть дела заключается в том, что в любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве существует ионизирующая радиация различных видов и разного происхождения. Эта радиация была, когда ещё не было жизни на Земле, есть сейчас и будет, когда погаснет Солнце. В условиях существования естественного радиационного фона возникла жизнь на Земле и прошла путь эволюции до своего настоящего состояния. Поэтому можно с уверенностью сказать, что дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют сколько-нибудь серьёзной опасности для живых организмов.
Предельно допустимые дозы. Этот уровень облучения был принят за допустимый на том основании, что он близок к уровню естественного радиационного фона в некоторых местах на Земле и никаких отрицательных последствий для человека при действии таких доз не обнаружено.
В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза облучения 0,1 ПДД за год.

Уменьшение дозы излучения при необходимости работы с источником ионизирующего излучения может быть осуществлено тремя путями: увеличением расстояния от источника; уменьшением времени пребывания около источника; установкой экрана, поглощающего излучение.

70. Ядерные реакции и условия их протекания. Энергетический выход ядерных реакций. Механизм ядерных реакций. Ядерная реакция на нейтронах.

Ядерной реакцией называется превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного.
условно ядерная реакция записывается в виде: А+В=С+Д, где А исходное ядро, В бомбардирующая частица, С - испускаемая частица, Д ядро-продукт.
Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое. Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.
Выход ядерной реакции. Ядерные реакции бывают двух типов. При одних реакциях происходит выделение энергии, на другие требуется затратить энергию.
Используя закон взаимосвязи массы и энергии, можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию, и масс частиц, являющихся продуктами ядерной реакции, найти изменение энергии системы частиц:

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс ядра-продукта и испускаемых частиц, т.е. разность масс положительна, то энергия выделяется (экзотермическая). Отрицательный знак разности масс свидетельствует о поглощении энергии (эндотермическая реакция).
Энергия, освобождающаяся при ядерной реакции, называется выходом ядерной реакции, в миллионы раз превосходящую выход энергии при химических реакциях.

Механизм ядерных реакций. Согласно представлениям, развитым впервые Н. Бором, ядерные реакции при не очень высоких энергиях бомбардирующих частиц протекают в два этапа. Сначала происходит поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут покинуть ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра. Таким образом, испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускании вторичной частицы составляет примерно с.
При любых ядерных реакциях соблюдаются законы хранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда.

Деление тяжелых атомных ядер. В 1934 г. Ф. Жолио - Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных реакци й в практических целях, если удастся осуществить ядерные реакции. Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. Т.к. они не обладали зарядом, следовательно имели возможность войти внутрь ядра, не испытывая кулоновского отталкивания. Нейтрон, оказавшись внутри ядра, занимал там определенное место, из-за чего ядро увеличивалось в размере и ядерные силы, не рассчитанные на новый размер ядра, не выдерживали возросшее давление, и ядро начинало делиться. Для деления удобно использовать медленные нейтроны, т.к.. быстрые нейтроны могли просто проскочить сквозь ядро, не дав возможность ядру разделиться т.к. время действия нейтрона было слишком мало для процесса деления.

71. Деление ядер урана. Механизм деления ядра. Цепная ядерная реакция. Коэффициент размножения нейтронов.

Ядро урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. При делении ядра урана на две равные части должно получиться два ядра изотопа празеодима. В ядре стабильного Изотопа празеодима 46 протоков и 62 нейтрона, а не 73 нейтрона, как в ядре изотопа празеодима Ра. Ядра с таким большим избытком нейтронов в природе не встречаются. Поэтому можно было ожидать, что деление ядра урана будет сопровождаться освобождением нескольких нейтронов, которые смогут поддержать развитие цепной реакции.
Практическое осуществление цепных реакций — не такая простая задача. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызвать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, и для этого пригодны даже медленные (тепловые) нейтроны. Деление же ядер изотопа урана с массовым числом 238 не происходит, нейтроны просто захватываются этими ядрами. В природном уране на долю изотопа с массовым числом 238 приходится 99,3 %, а “а долю изотопа с массовым числом 235 всего лишь 0,7 % Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде достаточно большого количества изотопа урана.

Использование цепной Ядерной реакции. • Если общее число свободных нейтронов в куске урана увеличивается со временем, то такая реакция носит взрывной характер.
• Если число свободных нейтронов уменьшается со временем, то в этом случае цепная реакция прекращается.
• В мирных целях возможно использовать энергию такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.

Способы реализации:
• Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточно большого количества урана, так как в образцах малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро.
• Уменьшить потерю нейтронов, можно не только за счёт увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки,. для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.
• Если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.
• Использование замедлителя нейтронов.

Вывод: возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием и замедлителя и т.д.

72. Использование цепной ядерной реакции в мирных целях. Устройство и принцип действия ядерного реактора.

Ядерный реактор — это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции. Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться СТОЛЬКО времени, СКОЛЬКО ЭТО необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывной характер.
1. Ядерное ТОПЛИВО используется уран-235

2. Отражатель нейтронов - для уменьшения утечки нейтронов.
З. Замедлители - Стержни и пластины С ядерным ТОПЛИВОМ.
4. Регулирующие стержни - Материал СИЛЬНО поглощает нейтроны
5. теплоносители - устройство отводящее тепло (вода), в дальнейшем поступает на турбины.
6. Защитная оболочка - бетон, задерживающий излучение

73. Понятие о термоядерной реакции. Применение ядерной энергетики. Получение радиоактивных изотопов и их применение.

Ядерную энергию можно получить и путём соединения ядер лёгких элементов. В качестве примера рассмотрим процесс образования ядра лёгкого элемента гелия.
Ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, можно образовать, например, из ядер двух изотопов водорода — тяжёлого водорода (дейтерия) и сверхтяжёлого (трития).
Сближаясь, ядра дейтерия и трития попадают в сферу действия мощных сил ядерного притяжения. Эти силы связывают два Нейтрона и два протона в устойчивую систему, представляющую собой ядро атома гелия. При этом лишний нейтрон выбрасывается с огромной скоростью.
В процессе образования ядра гелия ядерные силы совершают большую работу, результатом которой является увеличение кинетической энергии взаимодействующих частиц. Кинетическая энергия, возникающая за счёт работы ядерных сил, отдаётся в окружающую среду путём выбрасывания нейтрона, а также у—излучением. При этих ядерных реакциях выделяется энергия, примерно в 10 раз большая, чем при реакции деления ядер тяжёлых элементов (на единицу массы реагирующего вещества).
В отличие от деления ядер тяжёлых элементов реакция соединения ядер лёгких элементов может протекать только при очень высоких температурах, измеряемых миллионами и даже десятками миллионов градусов. Это обусловлено тем, что только при таких сверхвысоких температурах движение ядер становится настолько быстрым, что обеспечивает сильные взаимные удары ядер, при которых возможно непосредственное их соединение. Ядерные реакции, происходящие при очень высоких температурах, называются термоядерным и.

Получение радиоактивных изотопов и их применение
• Высокая проникающая способность у—излучения, которая много больше, чем рентгеновского, используется для измерения толщины, а также для того, чтобы обнаруживать внутренние дефекты.
• Ионизирующее действие излучения используется для нейтрализации статического электричества, например, в текстильной промышленности.
• Ионизирующее действие излучения используется в медицине для разрушения злокачественных опухолей; у- излучение убивает микробы и применяется для стерилизации инструментов и одежды, для предохранения овощей, фруктов, мяса от порчи и т.д.
• При поглощении радиоактивного излучения выделяется тепло, которое можно использовать для обогрева.
• добавляя к металлу радиоактивный изотоп и измеряя радиоактивность смазочных масел, можно установить, насколько быстро снашивается трущаяся поверхность, и подобрать наиболее подходящие материалы как для детали, так и для смазочных материалов.
• В химии метод меченых атомов используется для определения растворимости очень малорастворимых веществ.
• Меченые атомы помогают установить, как действуют на растения, вводимые в почву удобрения и усваиваются важнейшие элементы; изучают фотосинтез в растениях.
• С помощью радиоактивной «метки» можно следить за движением крови в организме и обнаружить нарушения кровообращения; меченые атомы позволяют наблюдать за усвоением питательных веществ и лекарств.
• в археологии.
по содержанию нераспавшегося радиоуглерода в ископаемых находках, можно определить их возраст

74. Три этапа развития физики элементарных частиц.

1. 1897-1923 – электрон, протон, нейтрон, фотон

2. 1923-1964 – от позитрона до кварки

3. 1964-наши дни – все элементарные частицы имеют сложную структуру, изучить до конца природу элементарных частиц не представляется возможным.

75. Общие сведения об элементарных частицах. Классификация элементарных частиц. Кварки.

Элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны.

Классификация. Важнейшей характеристикой частицы является её масса, которая отражает инертные и гравитационные свойства частицы и определяет имеющийся в ней запас энергии.

Большинство частиц обладает СПИНОМ, т.е. Собственным моментом количества движения.
Некоторые частицы Нейтральны, другие обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом.
почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы не имеющие массы покоя. Остальные частицы с амопроизвольно распадаются, и все, кроме нейтрона имеют очень непродолжительное среднее время ЖИЗНИ.
1) Фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1.
2) Лептоны лёгкие частицы; у лептонов спин равен 1/2.
3) Мезоны — промежуточные частицы; спин мезонов равен О.
4) Барионы тяжёлые частицы; самый легкий барион - протон. У всех барионов спин равен 1/2.
Частицы различных классов отличаются не только величиной массы и значением спина частиц. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют.
У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохранения числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает прогон стабильным: он самый лёгкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона.
У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется, и они могут возникать и исчезать в любом количестве.

76. Основные нерешённые проблемы физики.

Физика элементарных частиц. Наиболее фундаментальной проблемой физики было и остаётся исследование материи на уровне элементарных частиц. Ещё далеко не все положения новых теорий получили прямое экспериментальное подтверждение. Остаётся нерешённым вопрос о возможности существования кварков и глюонов в свободном состоянии.

Не удалось достигнуть более или менее завершенного теоретического обобщения обширного экспериментального материала с единой точки зрения. Не решена задача о теоретическом определении спектра масс элементарных частиц. Наконец, не решена задача построения квантовой теории тяготения. Лишь наметилось построение теории, объединяющей четыре фундаментальных взаимодействий.

Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях её развития, эволюция звёзд и образования химических элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед современной астрофизикой стоят нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звёзд и «чёрных дыр». Не выяснены до конца природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появление всплесков гамма – излучения.

Наконец, положено линь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом.

Физика ядра. После создания протонно – нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены различные приближенные модели ядра. Однако последовательной теории атомного ядра, позволяющей, в частности, рассчитать энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных взаимодействий. Экспериментальное исследование взаимодействий нуклонов в ядре – ядерных сил – сопряжено с очень большими трудностями из – за предельно сложного характера этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.

Значительный интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с томными номерами 114 и 126, которые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, которую предстоит решить, - проблема управляемого термоядерного синтеза, широко ведутся экспериментальные и теоретические исследования по созданию горячей дейтерий – тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции. Установка типа «токамак», являются, по – видимому, самыми перспективными в этом отношении. Разрабатываются и другие возможности решения проблемы УТС; в частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные и ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

Квантовая электроника. Излучение квантовых генераторов уникально по своим свойствам. Оно когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности. Напряженность электрического поля излучения лазера может превышать напряженность внутриатомного поля. Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела – нелинейной оптики. В сильном лазурном излучении становятся существенными нелинейные эффекты взаимодействия электромагнитной волны со средой. Эти эффекты: перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и другие – представляют большой теоретический и практический интерес.

Главные проблемы, которые предстоит решить, - это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного луча с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентгеновского и гамма – лазеров.

Физика твердого тела. Физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, электрических, магнитных и оптических характеристик.

С 70-х годов 20 века ведутся активные поиски нефоновых механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники, сто, в частности, решило бы проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь. Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т.п. большое значение имеет излучение Физики полимеров с их необычными механическими и термодинамическими свойствами, в частности биополимеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во – первых, в плазменном состоянии находятся подавляющая часть вещества Вселенной. Во – вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Основные уравнения, описывающие плазму, известны, однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в различных условиях весьма трудно. Главная проблема, стоящая перед физикой плазмы – разработка эффективных методов её разогрева и удержание её в этом состоянии в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную роль также в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках и в разработке так называемых коллективных методов для ускорения частиц. Исследование электромагнитного поля и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых звёзд, излучения пульсаров.

Разумеется, проблемы современной физики не сводятся только к перечисленным; свои задачи имеются во всех разделах физики и общее число их очень велико.