Заняття № 58 ____________2011р.
Тема: Будова атомного ядра.
Засоби спостереження і реєстрації заряджених частинок. Радіоактивність як явище, що підтверджує складну будову ядра атома. Поняття про енергію і проникаючу здатність радіоактивного випромінювання. Ефект Вавілова-Черенкова. Штучне перетворення атомних ядер. Відкриття нейтрона. Склад атомного ядра. Ізотопи. Ядерні сили. Дефект маси атомного ядра. Енергія зв'язку. Склад космічного випромінювання. Відкриття позитрона і нейтрино. Елементарні частинки; їхня сучасна класифікація. Античастинки. Взаємні перетворення речовини і поля.Поділ важких атомних ядер, ланцюгова реакція поділу Відкриття трансуранових елементів.. Ядерний вибух. Керована ланцюгова реакція.. Ядерні реактори. АЕС, реакція синтезу,проблеми екології. Ядерний реактор. Успіхи і перспективи розвитку ядерної енергетики. Баланс енергії при синтезі ядер гелію. Поняття про термоядерну реакцію. Енергія Сонця і зірок. Одержання радіоактивних ізотопів і їхнє застосування в медицині, промисловості, сільському господарстві.
Основні положення та означення.
1 Склад та характеристики ядра. Згідно з гіпотезою Д.Д. Іваненко (1932р.), що є тепер загальновизнаною, атомні ядра всіх елементів складаються з протонів та нейтронів.
Протон () має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, та масу, кг. Нейтронне має електричного заряду. Його маса кг. Загальна назва цих частинок – нуклони.
2. Масу ядер та елементарних частинок прийнято визначати в атомних одиницях маси (а.о.м.). За одну а.о.м. приймають 1/12 маси атома вуглецю 
. 
.
3. Однією з найважливіших характеристик атомного ядра є зарядове число 
. Воно дорівнює кількості протонів, що входять до складу ядра, і визначає його заряд: 
. Водночас число є порядковим номером хімічного елемента в періодичній таблиці Менделєєва.
4.Число нуклонів у ядрі позначається 
і називається масовим числом ядра. Число нейтронів у ядрі дорівнює 
.Для позначення ядер використовується
де 
— символ хімічного елементу.
5.Ядра з однаковим та різними називають ізотопами.
6. У першому наближенні ядро можна вважати кулею, радіус якої досить точно визначається формулою
З наведеної формули витікає, що об¢єм ядра є пропорційним числу нуклонів у ядрі.
7 Ядерні сили Сили притягання, які утримують нуклони в ядрі, називаються ядерними. Основні властивості:
1. Ядерні сили є короткодіючими, радіус їх дії 
см.
2. Ядерним силам властива зарядова незалежність, тобто вони однаково діють між двома протонами, двома нейтронами та протоном і нейтроном.
3. Ядерним силам властиве явище насичення. Кожний нуклон взаємодіє з обмеженою кількістю нуклонів.
Згідно з сучасними уявленнями, сильна взаємодія (ядерні сили) обумовлена тим, що нуклони віртуально обмінюються елементарними частинками — 
мезонами. Зазначимо, що в квантовій механіці віртуальними називають частинки, які не можна виявити за час їх існування.
8. Дефект маси, енергія зв¢язку Точні мас-спектрографічні вимірювання показують, що завжди маса атомного ядра 
менша за суму мас 
, відокремлених один від одного нуклонів (з яких складається ядро). Різниця називається дефектом маси.
Сума мас розрізнених нуклонів 
дорівнює
Згідно з теорією відносності маса пов¢язана з енергією спокою
.
Отже для роз¢єднання нуклонів, які входять до складу ядра, необхідно затратити енергію
яка називається енергією зв¢язку ядра. Формула вказує на те, що енергія зв¢язку пропорційна числу нуклонів, з яких складається ядро і зростає з ростом .
9 Радіоактивність (самовільні ядерні реакції)
Радіоактивністю називають самовільне (спонтанне) перетворення одних атомних ядер в інші, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок. До радіоактивних процесів відносять 
-розпад, 
-розпад і 
-випромінювання, спонтанний поділ важких ядер, протонну радіоактивність.
10. Для окремо взятого ядра можна вказати лише ймовірність розпаду за даний проміжок часу. Кількість ядер, що розпалися за час t визначається 
де 
— кількість ядер на момент 
. Формула виражає закон радіоактивного перетворення: число ядер, що не розпалися на даний момент часу, зменшується з часом за експоненціальним законом.
11. Швидкість розпаду характеризується активністю препарату 
. Одиницею активності є 
12.Кількість ядер, що розпалася за час 
визначається формулою 
.
13. Проміжок часу, за який розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом напіврозпаду 
. Згідно з визначенням через час 
залишиться 
ядер. Таким чином, після логарифмування отриманої формули, матимемо вираз 
який пов¢язує сталу розпаду з періодом напіврозпаду даного елемента.
14. Досить часто ядра, які виникають в результаті радіоактивного перетворення початкового ядра, теж виявляются радіоактивними. Нові потоки розпаду також можуть бути радіоактивними і т.д. В результаті виникає цілий ряд радіоактивних перетворень. В природі існує три радіоактивних ряди, родоначальниками яких є 
(ряд урану), 
(ряд торію) та 
(ряд актиноурану). Кінцевими продуктами в усіх трьох випадках є ізотопи свинцю, відповідно 
, 
, 
.
15. Альфа – розпад протікає за схемою 
.
Буквою позначено хімічний символ материнського ядра. Буквою 
символ дочірнього ядра. (При -розпаді випромінюються -промені – потік ядер гелію. Дочірні ядра, як правило, випромінюють -промені. Зі схеми видно, що атомний номер дочірнього ядра на 2 одиниці, а масове число на 4 одиниці менше ніж у початкового ядра. Таким чином, при -розпаді хімічний елемент зміщується в періодичній системі на два номери ліворуч, а його масове число зменшується на 4 одиниці. Кінетична енергія -частинок, що випромінюються при 
-розпаді, затрачується на іонізацію молекул середовища, врешті решт вони зупиняються. Їх пробіг у повітрі складає лише кілька сантиметрів).
16. Бета-розпад має три різновиди. В одному випадку перетворення ядра супроводжується емісією електрона (
), в другому – позитрона (
-частинкою, що має масу електрона та позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона), в третьому – ядро поглинає електрон.
Перший вид розпаду протікає за схемою 
,
де 
— символ антинейтрона.
(При цьому дочірнє ядро має атомний номер на одиницю більший, ніж у материнського, масові числа у обох ядер однакові. Отже при -розпаді елемент зміщуєтья в періодичній системі на один номер праворуч без зміни масового числа. Іонізуюча здатність -частинок (електронів) в середньому у 100 разів менша ніж у -частинок, а проникна здатність у стільки ж разів більша. Побіг -частинок високої енергії досягає у повітрі 40м, в біологічній тканині – 5 см.)
17. Гамма-промені виявляють жорстке електромагнітне випромінювання -потік-фотонів високої частоти(
Гц). Енергія -фотонів сягає 1МеВ.
(Поглинання гама-квантів у речовині обумовлене здебільшого трьома процесами: фотоефектом, ефектом Комптона, та утворенням електронно – позитронних пар. Останній процес полягає в тому, що -фотон, який має енергію 
МеВ, пролітаючи поблизу атомного ядра, може (під впливом поля ядерних сил) перетворитися на пару – електрон – позитрон. Іонізуюча здатність -променів невелика; в повітрі вона має порядок 100 пар іонів (в средньому 1-2 пари іонів на 1см пробігу). Гамма-промені є одним з найбільш проникаючих випромінювань. Жорсткі -промені проходять через шар свинцю товщиною 5 см або через шар повітря товщиною кілька сот метрів; людське тіло вони пронизують наскрізь.)
18. Вимушені ядерні реакції. Ядерною реакцією (вимушеною ядерною реакцією) називається процес сильної взаємодії ядра з елементарною частинкою, або з іншим ядром, що викликає перетворення ядра (або ядер). Слід зазначити, що принципова різниця між явищами радіоактивності,, та явищами, що протікають при вимушених ядерних реакціях полягає в тому, що в першому випадку процеси перетворення ядер виникають самовільно без будь-якого зовнішнього впливу. В другому випадку перетворення відбувається в результаті взаємодії ядра з елементарними частинками або іншими ядрами.
19. Взаємодія ядра з частинкою призводить до виникнення в результаті перетворень ядра та частинки в: Рівняння таких реакцій записують скорочено у вигляді
Частинками і 
можуть бути нейтрон (
), протон (
), дейтрон (
), -частинка () та -фотон ().
20.Вимушені ядерні реакції можуть супроводжуватися як виділенням, так і поглинанням енергії. Енергія реакції визначається різницею мас 
початкових та кінцевих ядер. Якщо 
, реакція іде з виділенням енергії, якщо 
— з поглинанням енергії. (Реакції, які спричиняються частинками невеликої енергії, проходять у два етапи: спочатку ядро захоплює частинку , виникає проміжне ядро, а потім за короткий проміжок часу 
с. проміжне ядро розпадається, випромінюючи частинку . Реакції, які викликають частинки високої енергії, протікають без виникнення енергії проміжного ядра і називаються прямою ядерною взаємодією.)
20. Важливе значення в ядерній фізиці мають реакції, які спричиняють нейтрони. На відміну від заряджених частинок нейтрони не зазнають кулонівського відштовхування. Завдяки чому можуть проникати в ядра, маючи дуже малу енергію. Класичним прикладом реакції поділу є розпад актиноурану на ізотопи криптону та барію з випромінюванням трьох нейтронів
,
при цьому виділяється енергія, що приблизно дорівнює 200МеВ, причому 80% її виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків та 20% припадає на енергію миттєвих нейтронів. Енергія, яка виділяється в результаті поділу всіх ядер, що містяться в 1кг 
, дорівнює кількості енергії, що виділяється при згоранні 
кг бензину.
(Слід, однак, зазначити, що для виділення великої кількості енергії, необхідно, щоб поділу зазнала значна частина ядер, які містяться в масі “ядерного палива. Тому реакція повинна бути самопідтримною, або ланцюговою, при кожному акті поділу повинні з`являтися нові нейтрони, які б викликали наступні акти поділу. Однак не всі нейтрони, які виникли в результаті чергового акту поділу, викликають поділ інших ядер. Частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, які погано, або зовсім не діляться, частина нейтронів вилітає з ядерного палива, не зустрівшись з ядрами. Таким чином, реакція згасає. 
Розвиток ланцюгової реакції кількісно характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів 
, який вимірюється відношенням числа нейтронів 
, які спричиняють поділ на 
-му етапі реакції до числа нейтронів 
, які викликають поділ на попередньому (
)-му етапі реакції.
Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, у тому числі, від природи, кількості речовини та геометричної форми її об`єму. Одна й та ж кількість ядерного палива має найбільше значення , якщо вона має форму кулі. В цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню, що обмежує об`єм, буде мінімальною, бо куля має мінімальну поверхню при даному об`ємі.
Мінімальна маса ядерного палива, в якій ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом 
, називається критичною масою.
Якщо маса ядерного пального менша за критичну (
), ланцюгова реакція загасає. Якщо маса пального дорівнює критичній (), ланцюгова реакція йде з постійною інтенсивністю. Якщо ж маса більша за критичну (
), то реакція швидко розвивається, що може призвести до вибуху. Реакція з здійснена в атомній (ядерній) бомбі. Ядерний заряд такої бомби являє собою два або більше шматків чистого або 
, сума мас яких більша за критичну. Маса кожного з шматків – менша за критичну. Для того, щоб якомога більша частина ядер встигла прореагувати при вибусі, необхідно швидко з‘єднати окремі шматки в один. Цього досягають за рахунок вибуху хімічної речовини. Під час вибуху вивільняється величезна кількість енергії і температура продуктів вибуху досягає мільйонів градусів. Значна частина палива забруднює навколишнє середовище радіоактивними речовинами на довгі роки. В подальшому це забруднення розповсюджується завдяки повітряним та водяним течіям.)
21. Ядерний реактор – пристрій, в якому відбувається неповна ядерна реакція поділу з коефіцієнтом . Ядерні реактори використовують в наукових дослідженнях та для промислового отримання енергії.
(Розглянемо коротко будову та принцип дії уран-графітового реактора на повільних нейтронах, схема якого наведена на рис.10.2. Як паливо в такому реакторі використовується природний 
, збагачений ізотопом (до 
). Збагачення природного урану пов‘язане з тим, що поглинає нейтрони, не зазнаючи поділу. Ланцюгова реакція йде за рахунок . Але ізотоп зазнає поділу тільки під дією повільних, теплових нейтронів
Розташовуючи уранові стержні – 2 (рис.10.2) в оточенні графіту – 1, сповільнюють нейтрони до теплових швидкостей, цим запобігають поглинанню нейтронів ядрами , та досягають інтенсивного поділу ядер . Стержні – 3 (що містять поглинаючі матеріали – кадмій або бор) служать для регулювання ходу ланцюгової реакції в реакторі. Введення їх у реактор зменшує коефіцієнт розмноження , виведення – збільшує. Ядерний реактор є потужним джерелом радіоактивного випромінювання, яке використовується для виготовлення штучних радіоактивних ізотопів багатьох хімічних елементів, які знаходять різноманітні застосування в біології, медицині та техніці.)
22. Злиття легких ядер (ядерний синтез) в одне ядро супроводжується, як і поділ важких ядер, виділенням величезної кількості енергії. Для синтезу ядер необхідні високі температури, тому цей процес називають термоядерною реакцією. Вважається, що термоядерна реакція здійснена у водневій бомбі. Необхідна для реакції висока температура створена за рахунок ядерного вибуху.
Для здійснення керованої термоядерної реакції необхідно створити і підтримувати в деякому об‘ємі температуру 
. При такій температурі речовина перетворюється на повністю іонізовану плазму. Зіткнення плазми зі стінами, виготовленими з будь-якої речовини, призвело б до охолодження плазми, сама стіна при такій високій температурі відразу б випарувалася.
Перспективною у плані вирішення проблеми є установка ”Токамак” (тороїдальна камера з магнітною котушкою), яка запропонована Б.Б.Кадомцевим та Л.А.Арцимовичем. Нагрівання плазми здійснюється в ній за допомогою високочастотного поля. Утримується плазма (на певній відстані від стінок камери) за допомогою магнітного поля.
Другий шлях вирішення проблеми ґрунтується на ідеї лазерного термоядерного синтезу.
Вирішення проблеми керованої термоядерної реакції повністю вирішить енергетичну проблему, необхідна сировина є на землі практично в необмежній кількості.
