Состав ядра атома. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра атома. Ядерные реакции. Ядерная энергетика

После открытия нейтрона в 1932 г. советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой гипотезе все ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон обладают примерно одинаковой массой, но заряд протона равен +1, а нейтрон заряда не имеет. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается буквой A и называется МАССОВЫМ ЧИСЛОМ. Оно определяется округлением относительной атомной массы по таблице Менделеева Mr.

A = N + Z (пример: Al²⁷_{13 у}казать число протонов, нейтронов, нуклонов)

Ядра с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов являются ядрами различных ИЗОТОПОВ одного химического элемента. Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам. Вследствие одинакового заряда ядра атомы разных изотопов имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами. Обозначаются изотопы символом с указанием вверху массового числа и слева внизу числа протонов в атомном ядре. 235

ПРИМЕР: U

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, называются ЯДЕРНЫМИ СИЛАМИ или сильными взаимодействиями. Ядерные силы являются короткодей­ствующими.

Между энергией и массой существует связь: E = mc²

Это основное уравнение, применяемое в атомной физике.

Точные измерения масс атомных ядер показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс Z свободных протонов и N нейтронов:

Dm = (Z m_p + N m_n) - m_я > 0

Из связи массы и энергии следует, что полная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше полной энергии составленного из них ядра.

МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, КОТОРУЮ НУЖНО ЗАТРАТИТЬ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ АТОМНОГО ЯДРА НА СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЕГО НУКЛОНЫ, НАЗЫВАЕТСЯ ЭНЕРГИЕЙ СВЯЗИ ЯДРА.

E_св = Dmс²

 

ЯДЕРНЫМИ РЕАКЦИЯМИ называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и друг с другом. Огромное значение имеют ЦЕПНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, примером которых может служить реакция деления ядер урана.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1938 г. немецкими учеными О.Ганом и Ф.Штрассманом. Они установили, что при попадании в ядро урана одного нейтрона, оно делится на 2-3 части. При этом появляется еще 2-3 свободных нейтрона, которые могут вызвать деление соседних ядер и т.д. Начинается цепная реакция, в ходе которой выделяется громадное количество энергии. Эту энергию можно использовать для практических целей.

На пути осуществления такой реакции стоит много трудностей.

Во-первых, нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер урана-235, для деления ядер урана-238 их энергии недостаточно. Так как в природном уране изотопа с массой 235 очень мало, уран предварительно обогащают.

Во-вторых, если масса урана окажется меньше КРИТИЧЕСКОЙ (несколько десятков килограммов), то нейтроны, образовавшиеся в ходе реакции, будут вылетать наружу, не встретив на пути ни одного ядра и реакция быстро затухнет.

Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления, называется ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ.

РЕАКЦИИ СЛИЯНИЯ ЛЕГКИХ ЯДЕР ПРИ ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НАЗЫВАЮТСЯ ТЕРМОЯДЕРНЫМИ РЕАКЦИЯМИ.

Термоядерные реакции - основной источник энергии во вселенной. Энергия Солнца и других звезд имеет термо­ядерное происхождение. По современным представлениям, на ранней стадии своего развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри ее столь велика, что происходит реакция слияния ядер атомов водорода ­протонов и образуется гелий. При слиянии ядер гелия могут образовываться и более тяжелые элементы. Реакции термоядерного синтеза обеспечивают излучение звездой энергии в течение многих миллиардов лет.

Освоение этой реакции может дать человечеству практи­чески неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспек­тивной считают реакцию синтеза двух изотопов водорода ­ дейтерия и трития:

_{2 3 4 1}

H + H à He + n

^{1 1 2 0}

24/2. Экспериментальное задание по теме «Кинематика»: проверка зави­симости времени движения шарика по наклонному желобу от угла наклона желоба (2-3 опыта).

 

В вашем распоряжении имеются желоб, линейка, шарик, секундомер и металлический цилиндр.

Установите один конец желоба на небольшой высоте Н (1—2 см) над поверхностью стола, а в конце желоба положите цилиндр. Измерьте проме­жуток времени, за который шарик, пущенный из состояния покоя с верхней точки желоба, достигнет цилиндра. Сделайте высоту верхней точки желоба равной 2Н и снова измерьте время движения шарика.

Подтверждают ли результаты опытов предположение о том,что время движения шарика уменьшилось в 2 раза при увеличении высоты верхней точки желоба вдвое?