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 – 1.007 а.е.м. Нейтрон не имеет заряда и имеет массу 1.009 а.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.
Если в качестве горючего использовать уран, обогащенный изотопом с массой 235, то реактор может работать и без замедлителя на быстрых нейтронах. В таком реакторе большинство нейтронов поглощаются ураном-238, который в результате двух бета-распадов становится плутонием-239, также являющимся ядерным топливом и исходным материалом для ядерного оружия . Таким образом, реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и размножителем горючего для реактора. Недостаток – необходимость обогащения урана легким изотопом.
Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Для соединения ядер необходимо преодолеть кулоновскую силу отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 107–108 К. Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития или . При синтезе 1 грамма гелия выделяется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тонн дизельного топлива. Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании ее до соответствующей температуры путем пропускания через нее электрического тока или с помощью лазера.
75. Биологическое действие ионизирующих излучений. Защита от радиации. Применение радиоактивных изотопов.
Мерой воздействия любого вила излучения на вещество является поглощенная доза излучения. Единицей дозы является грэй, равный дозе, которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия в 1 джоуль. Т.к. физическое воздействие любого излучения на вещество связано не столько с нагреванием, сколько с ионизацией, то введена единица экспозиционной дозы, характеризующей ионизационное действие излучения на воздух. Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген, равный 2.58×10-4Кл/кг. При экспозиционной дозе в 1 рентген в 1 см3 воздуха содержится 2 миллиарда пар ионов. При одинаковой поглощенной дозе действие различных видов облучения неодинаково. Чем тяжелее частица – тем сильнее ее действие (впрочем, более тяжелую и задержать легче). Различие биологического действия излучения характеризуется коэффициентом биологической эффективности, равном единице для гамма-лучей, 3 для тепловых нейтронов, 10 для нейтронов с энергией 0.5 МэВ. Доза, умноженная на коэффициент, характеризует биологическое действие дозы и называется эквивалентной дозой, измеряется в зивертах. Основным механизмом действия на организм является ионизация. Ионы вступают в химическую реакцию с клеткой и нарушают ее деятельность, что приводит к гибели или мутации клетки. Естественный фон облучения составляет в среднем 2 мЗв в год, для городов дополнительно +1 мЗв в год.
76. Абсолютность скорости света. Элементы СТО. Релятивистская динамика.
Опытным путем было установлено, что скорость света не зависит от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель. Также невозможно разогнать ни одну элементарную частицу, например электрон, до скорости, равной скорости света. Противоречие между этим фактом и принципом относительности Галилея был разрешен А.Эйнштейном. Основу его [специальной] теории относительности составили два постулата: любые физические процессы протекают одинаково в различных инерциальных системах отсчета, скорость света в вакууме не зависит от скорости источника света и наблюдателя. Явление, описываемые теорией относительности называются релятивистскими. В теории относительности вводятся два класса частиц – те, которые движутся со скоростями, меньшими с, и с которыми можно связать систему отсчета, и те, которые движутся со скоростями равными с, с которыми нельзя связать системы отсчета. Умножив это неравенство () на , получим . Это выражение представляет из себя релятивистский закон сложения скоростей, совпадающий с Ньютоновским при v<<c. При любых относительных скоростях инерциальных систем отсчета V<c нельзя путем перехода из одной из них к другой изменить принадлежность движущейся частицы к определенному классу частиц.
Собственное время, т.е. то, которое действует в системе отсчета, связанной с частицей, инвариантно, т.е. не зависит от выбора инерциальной системы отсчета. Принцип относительности модифицирует это утверждение, говоря, что в каждой инерциальной системе отсчета время течет одинаково, но единого для всех, абсолютного, времени не существует. Координатное время связано с собственным временем законом. Возведя это выражение в квадрат, получим . Величину s называют интервалом. Следствием релятивистского закона сложения скоростей является эффект Доплера, характеризующий изменение частоты колебаний в зависимости от скоростей движения источника волн и наблюдателя. При движении наблюдателя под углом Q к источнику, частота изменяется по закону . При движении удаления от источника спектр сдвигается к меньшим частотам, соответствующим большей длине волны, т.е. к красному цвету, при приближении – к фиолетовому. Импульс также изменяется при скоростях, близких к с:.
77. Элементарные частицы.
Изначально к элементарным частицам относили протон, нейтрон и электрон, позже – фотон. Когда открыли распад нейтрона – к числу элементарных частиц добавились мюоны и пионы. Их масса составляла от 200 до 300 электронных масс. Несмотря на то, что нейтрон распадается на проток, электрон и нейтрино, внутри него этих частиц нет, и он считается элементарной частицей. Большинство элементарных частиц нестабильны, и имеют периоды полураспада порядка 10-6–10-16с. В разработанной Дираком релятивистской теории движения электрона в атоме следовало, что у электрона может существовать двойник с противоположным зарядом. Эта частица, обнаруженная космическом излучении, называется позитроном. Впоследствии было доказано, что у всех частиц существуют свои античастицы, отличающиеся спином и (при наличии) зарядом. Также существуют истинно-нейтральные частицы, полностью совпадающие со своими античастицами (пи-нуль-мезон и эта-нуль-мезон ). Явление аннигиляции представляет собой взаимное уничтожение двух античастиц с выделением энергии, например . По закону сохранения энергии выделяемая энергия пропорциональна сумме масс проаннигилировавших частиц. В соответствии с законами сохранения, частицы никогда не возникают поодиночке. Частицы делятся на группы, по возрастанию массы – фотон, лептоны, мезоны, барионы.
Всего существует 4 вида фундаментальных (несводимых к другим) взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Электромагнитное взаимодействие объясняется обменом виртуальными фотонами (Из неопределенности Гейзенберга следует, что за небольшое время электрон за счет своей внутренней энергии может выпустить квант, и возместить потерю энергии захватом такого же. Испущенный квант поглощается другим, таким образом обеспечивая взаимодействие.), сильное – обменом глюонами (спин 1, масса 0, переносят "цветовой" кварковый заряд), слабое – векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие не объясняется, но кванты гравитационного поля теоретически должны иметь массу 0, спин 2 (???).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
