Строение атомов и их ядер
4. Стpоение многоэлектpонных атомов. Пеpиодический закон Менделеева. 9
Как известно, все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов.
Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая частица химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращающихся вокруг электронов.
Ядра атомов образованы совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов мезонами, частицами меньшей массы.
Ядро элемента X обозначают как или X-A, например уран U-235 - ,
где Z - заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A - массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.
Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами (например, уран имеет два изотопа U-235 и U-238); ядра при N=const, z=var - изобарами[1].
Цель работы – рассмотреть строение атомов и их ядер.
Задачи работы – изучить ядерные реакции; охарактеризовать сущность реактивности; проанализировать особенности деления ядер; обозначить стpоение многоэлектpонных атомов.
1. Ядерные реакции
Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра или иначе элементарные частицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могут взаимодействовать с ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицы могут захватываться ядрами, либо после столкновения - менять направление движения, отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакция без проникновения внуть ядра называется упругим рассеянием.
После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном состоянии. "Освободиться" от возбуждения ядро может несколькими способами - испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатам различают реакции - захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.
Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.
Вероятность реакции характеризуется величиной "поперечного сечения" реакции данного типа [2]
2. Радиоактивность
Радиоактивность вошла в сознание человечества всего лишь примерно 100 лет тому назад. Лишь в 1986 году А. Бекерель обнаружил некие х-лучи, засвечивавшие фотопластинки.
Затем было установлено, что радиоактивность - это свойство испускать потоки заряженных aльфа, бета и нейтральных гамма частиц. Усилиями многих ученых было обнаружено,что aльфа-частицы представляют собой ядра гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-частицы - поток квантов света. Было установлено, что многие вещества являются естественными излучателями частиц, из которых некоторые, как например радий, оказались очень интенсивными источниками радиации.
Различные комбинации нуклонов в ядрах управляются законами ядерных взаимодействий, взаимное положение и движения внутри ядер определяется действием короткодействующих ядерных сил. Известно,что существует некоторая зависимость между числом протонов и нейтронов в ядрах, в рамках которой реализуется стабильность ядер. Эта зависимость для устойчивых ядер имеет вид:
Из этой формулы следует,что при малых массовых числах 1<A<10 число протонов, определяемое атомным номером - числом z, примерно равно числу нейтронов, а при больших массовых числах A>>10 число протонов растет как корень кубический из числа А. Отклонение от этой "линии устойчивости ядер ", избыток числа нуклонов приводит к тому, что ядра атомов претерпевают радиоактивные превращения стремясь уменьшить степень отклонения и перейти к более стабильной конфигурации нуклонов.
Различные виды радиоактивных превращений можно описать:
,
где X* - составное ядро,
A=A1+A2, Z=Z1+Z2,
E - выделенная энергия.
Дочерние продукты радиоактивных процессов могут также претерпевать распад - так возникают цепочки радиоактивных превращений. Важной разновидностью радиоактивных превращений является т.н. спонтанное деление тяжелых ядер, открытое Флеровым и Петржаком в 1942 году. Радиоактивный распад это процесс статистический, т.е. управляемый вероятностными законамиi. Однако, в среднем, за времена большие времен характерных внутренних процессов - это вполне детерминированное явление. Так, можно записать уравнение радиоактивного распада, имеющее вид
или
где Аi- число ядер изотопа Аi в единице обьема, - константа радиоактивного распада изотопа Аi.
Величина определяет другую, часто используемую характеристику радиоактивного распада изотопов - период полураспада T1/2:
время в течение которого количество вещества за счет радиоактивного распада уменьшается в два раза.
Интенсивность радиоактивного распада измеряется в единицах, называемых "беккерель" (1 Бк = 1 распад / 1 сек). Важная единица интенсивного радиоактивного распада - кюри (1 кюри = 3,7*1010 Бк = 37 ГБк)[3].
Деление тяжелых ядер происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Это фундаментальное явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.
Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.
После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.
Дифференциальное уравнение превращений осколков деления можно записать в виде:
где Ai - число ядер изотопа i в единице объема ,
Q(t) - число актов деления в единице объема в единицу времени в момент t,
- выход изотопов Ai в акте деления,
- константа радиоактивного распада изотопа Ai,
- плотность потока нейтронов,
- сечение поглощения нейтронов ядрами изотопа Ai ,
- константа перехода к-того изотопа в i-тый.
Для решения этой системы уравнений нужно задать начальные условия, знать схемы и константы всех радиоактивных переходов. Суммируя по группам изотопов, имеющих тот или иной тип радиоактивности, можно определить интенсивность радиоактивного распада в функции времени. В [3] представлены детали и результаты таких расчетов.
Наиболее значимые осколки деления - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr и др.
В Таблице 1 даны некоторые характеристики осколков деления
Таблица 1.
Характеристики некоторых радионуклидов и продуктов деления урана-235
|
Имя нуклида |
Период полураспада Е , дни |
Выход при делении, % |
Количество радиоактивности в реакторе мощностью 3412 МВт, работавшего три года, млн. кюри |
|
Изотопы иода |
|
|
|
|
иод-131 |
8,04 |
2,88 |
87 |
|
иод-132 |
0,095 |
4,30 |
130 |
|
иод-133 |
0,866 |
6,70 |
180 |
|
иод-135 |
0,276 |
6,55 |
170 |
|
Благородные газы |
|
|
|
|
криптон-85 |
3,95 |
1,30 |
0,66 |
|
криптон-85м |
0,187 |
1,30 |
32 |
|
криптон-87 |
0,053 |
2,56 |
57 |
|
криптон-88 |
0,119 |
3,64 |
77 |
|
ксенон-133 |
5,25 |
6,7 |
180 |
|
ксенон-135 |
0,378 |
6,55 |
38 |
|
Изотопы цезия |
|
|
|
|
цезий-134 |
753 |
7,81 |
13 |
|
цезий-137 |
11000 |
6,23 |
6,5 |
|
Другие осколки деления |
|
|
|
|
стронций-90 |
10300 |
5,94 |
|
Страницы: 1, 2
