Билеты по физике за весь школьный курс (стр. 14 из 15)

70. Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции.

Электрический заряд атома ядра q равен произведению элементарного электрического заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева

. Атомы, имеющие одинаковое строение, имеют одинаковую электронную оболочку и химически неразличимы. В ядерной физике применяются свои единицы измерения. 1 ферми – 1 фемтометр, . 1 атомная единица массы – 1/12 массы атома углерода . . Атомы с одинаковым зарядом ядра, но различными массами, называются изотопами. Изотопы различаются своими спектрами. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z, число нейтронов – массе минус число протонов A–Z=N. Положительный заряд протона численно равен заряду электрона, масса протона – 1.007а.е.м. Нейтрон не имеет заряда и имеет массу 1.009а.е.м. (нейтрон тяжелее протона более чем на две электронные массы). Нейтроны стабильны только в составе атомных ядер, в свободном виде они живут ~15 минут и распадаются на протон, электрон и антинейтрино. Сила гравитационного притяжения между нуклонами в ядре превышает электростатическую силу отталкивания в 10³⁶ раз. Стабильность ядер объясняется наличием особых ядерных сил. На расстоянии 1 фм от протона ядерные силы в 35 раз превышают кулоновские, но очень быстро убывают, и при расстояния около 1.5 фм ими можно пренебречь. Ядерные силы не зависят от того, имеется ли у частицы заряд. Точные измерения масс атомных ядер показали наличие различия между массой ядра и алгебраической суммой масс составляющих его нуклонов. Для разделения атомного ядра на составляющие необходимо затратить энергию . Величину называют дефектом массы. Минимальную энергию, которую необходимо затратить на разделение ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра, расходуемой на совершение работы против ядерных сил притяжения. Отношение энергии связи к массовому числу называется удельной энергией связи. Ядерной реакцией называется превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое, отличное от исходного. В результате ядерной реакции могут испускаться частицы или гамма-кванты. Ядерные реакции бывают двух видов – для осуществления одних надо затратить энергию, при других происходит выделение энергии. Освобождающаяся энергия называется выходом ядерной реакции. При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения. Закон сохранения момента импульса принимает форму закона сохранения спина.

71. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.

Ядра обладают способностью самопроизвольно распадаться. При этом устойчивыми являются только те ядра, которые обладают минимальной энергией по сравнению с теми, в которые ядро может самопроизвольно превратиться. Ядра, в которых протонов больше, чем нейтронов, нестабильны, т.к. увеличивается кулоновская сила отталкивания . Ядра, в которых больше нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы протона , а увеличение массы приводит к увеличению энергии. Ядра могут освобождаться от избыточной энергии либо делением на более устойчивые части (альфа-распад и деление), либо изменением заряда (бета-распад). Альфа-распадом называется самопроизвольное деление атомного ядра на альфа частицу

и ядро-продукт. Альфа-распаду подвержены все элементы тяжелее урана. Способность альфа-частицы преодолеть притяжение ядра определяется туннельным эффектом (уравнением Шредингера). При альфа-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическую энергию движения ядра-продукта и альфа-частицы. Часть энергии может пойти на возбуждения атома ядра-продукта. Таким образом, через некоторое время после распада ядро продукта испускает несколько гамма-квантов и приходит в нормальное состояние. Существует также еще один вид распада – спонтанное деление ядер. Самым легким элементом, способным к такому распаду, является уран. Распад происходит по закону , где Т – период полураспада, константа для данного изотопа. Бета-распад представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого его заряд увеличивается на единицу за счет испускания электрона. Но масса нейтрона превышает сумму масс протона и электрона. Этот объясняется выделением еще одной частицы – электронного антинейтрино . Не только нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но при воздействии частиц он может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино. Если энергия нового ядра меньше, то происходит позитронный бета-распад . Как и альфа-распад, бета-распад также может сопровождаться гамма-излучением.

72. Методы регистрации ионизирующих излучений.

Метод фотоэмульсий – приложить образец к фотопластинке, и после проявки по толщине и длине следа частицы на ней возможно определить количество и распределение того или иного радиоактивного вещества в образце. Сцинтилляционный счетчик – прибор, в котором можно наблюдать превращение кинетической энергии быстрой частицы в энергию световой вспышки, которая, в свою очередь, инициирует фотоэффект (импульс электрического тока), который усиливается и регистрируется. Камера Вильсона – стеклянная камера с воздухом и пересыщенными парами спирта. При движении частицы через камеру она ионизирует молекулы, вокруг которых тут же начинается конденсация. Цепочка капель, образовавшихся в результате, образует трек частицы. Пузырьковая камера работает на тех же принципах, но в качестве регистратора служит жидкость, близкая к температуре кипения. Газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера) – цилиндр, заполненный разреженным газом и натянутой нитью из проводника. Частица вызывает ионизацию газа, ионы под действием электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другие атомы. Возникает коронный разряд, импульс которого регистрируется.

73. Цепная реакция деления ядер урана.

В 30ых годах опытно было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются ядра лантана, который не мог образоваться в результате альфа- или бета-распада. Ядро урана-238 состоит из 82 протонов и 146 нейтронов. При делении ровно пополам должен был бы образовываться празеодим

, но в стабильном ядре празеодима нейтронов на 9 меньше. Поэтому при делении урана образуются другие ядра и избыток свободных нейтронов. В 1939 году было произведено первое искусственное деления ядра урана. При этом выделялось 2-3 свободных нейтрона и 200 МэВ энергии, причем около 165 МэВ выделялось в виде кинетической энергии ядер-осколков или или . При благоприятных условиях освободившиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана. Коэффициент размножения нейтронов характеризует то, как будет протекать реакция. Если он более единицы. то с каждым делением количество нейтронов возрастает, уран нагревается до температуры в несколько миллионов градусов, и происходит ядерный взрыв. При коэффициенте деления меньшем единицы реакция затухает, а при равно единице – поддерживается на постоянном уровне, что используется в ядерных реакторах. Из природных изотопов урана только ядро способно к делению, а наиболее распространенный изотоп поглощает нейтрон и превращается в плутоний по схеме . Плутоний-239 по своим свойствам схож с ураном-235.

74. Ядерный реактор. Термоядерная реакция.

Ядерные реакторы бывают двух видов – на медленных и быстрых нейтронах. Большинство выделяющихся при делении нейтронов имеют энергию порядка 1-2 МэВ, и скорости около 10⁷м/с. Такие нейтроны называются быстрыми, и одинаково эффективно поглощаются как ураном-235, так и ураном-238, а т.к. тяжелого изотопа больше, а он не делится, то цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростям около 2×10³м/с, называют тепловыми. Такие нейтроны активнее, чем быстрые, поглощаются ураном-235. Таким образом, для осуществления управляемой ядерной реакции, необходимо замедлить нейтроны до тепловых скоростей. Наиболее распространенными замедлителями в реакторах являются графит, обычная и тяжелая вода. Для того, чтобы коэффициент деления поддерживался на уровне единицы, используются поглотители и отражатели. Поглотителями являются стержни из кадмия и бора, захватывающие тепловые нейтроны, отражателем – бериллий.