ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1. Заряд, масса, размер и состав атомного ядра 2. Энергия связи ядер. Дефект массы 3. Ядерные силы 4. Радиоактивность 5. Ядерные реакции. - презентация

1 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1. Заряд, масса, размер и состав атомного ядра 2. Энергия связи ядер. Дефект массы 3. Ядерные силы 4. Радиоактивность 5. Ядерные реакции и их основные типы 6. Деление ядер 7. Синтез ядер

2 Заряд, масса, размер, и состав атомного ядра

3 В состав атомного ядра входят элементарные частицы: протоны и нейтроны (нуклоны) Протон имеет: положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e.

4 Заряд ядра равен Ze, где e – заряд протона, Z – зарядовое число, равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118 A = Z + N называется массовым числом. Ядра с одинаковым Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z называются изобарами.

5 где R 0 = (1,3 ÷ 1,7)·10 –15 м. Плотность ядерного вещества составляет кг/м 3

6 Протоны и нейтроны являются фермионами, так как имеют спин ħ/2. Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра, равный I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд :

7 γ яд – ядерное гиромагнитное отношение. μ n – 1,913 μ яд μ р 2,793 μ яд. Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

8 Квадрупольный электрический момент ядра Q Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения:

9 2. Энергия связи ядер. Дефект массы Ядерное сильное взаимодействие – притяжение – обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов. Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии. Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

10 W св – величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, соответствующая ей масса m, равна: называется дефектом масс. Если ядро массой М яд образовано из Z протонов с массой m p и из (A – Z) нейтронов с массой m n, то

11 Удельной энергией связи ядра ω св называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон: Величина ω св составляет в среднем 8 МэВ/нуклон

12 12

13 Если ядро имеет наименьшую возможную энергию W min = – W св, то оно находится в основном энергетическом состоянии. Если ядро имеет энергию W > W min, то оно находится в возбужденном энергетическом состоянии. Случай W = 0 соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны.

14 3. Ядерные силы Cвойства ядерных сил: Малый радиус действия ядерных сил (a ~ 1Фм). Притяжение между нуклонами на больших растояниях (r > 1 Фм) сменяется отталкиванием на малых (r

15 4. Радиоактивность Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

16 Радиоактивные процессы: α - распад β – распад (в том числе электронный захват) γ – излучение ядер спонтанное деление тяжелых ядер протонная радиоактивность

17 Альфа-лучи отклоняются в ту же сторону, что и поток положительно заряженных частиц Бета-лучи – в противоположную сторону (как поток отрицательных частиц) Гамма-лучи никак не реагируют на действие магнитного поля Поведение разных типов радиоактивного излучения в магнитном поле:

18 Тип радиоактивности Изменение Заряда ядра Z Изменение массового числа А Характер процесса Альфа-распадZ – 2A – 4Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино Бета-распадZ ± 1АВзаимные превращения в ядре нейтрона ( ) и протона ( ) Β – – распадZ + 1А Β + – распадZ – 1А Электронный захват(е – или К- захват) Z – 1А и – электронное нейтрино и антинейтрино. В скобках указаны частицы, вылетающие из ядра. Спонтанное деление Z – (1/2)AA – (1/2)AДеление ядра обычно на два осколка, имеющие приблизительно равные массы и заряды

19 Все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения – жесткого, коротковолнового электромагнитного излучения. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γ- фотона.

20 Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях: постоянная распада не зависит от внешних условий; число ядер, распадающихся за время dt, пропорционально начальному количеству ядер Закон радиоактивного распада: N 0 – количество ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N – число ядер в том же объеме к моменту временя t, λ – постоянная распада,

21 Величина 1/λ = τ - средней продолжительности жизни (среднее время жизни τ) радиоактивного изотопа. Средняя продолжительность τ жизни всех первоначально существовавших ядер Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN|=tλNdt.

22 Характеристикой устойчивости ядер относительно распада служит период полураспада Т 1/2. - время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества уменьшается наполовину. Связь λ и Т 1/2 :

23 Бывает, что дочерние ядра также радиоактивные и распадаются со скоростью, характеризуемой постоянной распада λ. Новый продукт распада также радиоактивный и т.д… - образуется радиоактивный ряд (семейство): 238 U, 232 Th, 235 U. Активность радиоактивного препарата А (А=λN) - число распадов в единицу времени. Единица измерения активности - беккерель (Бк) = распад в секунду.

24 Закон сохранения электрического заряда при радиоактивном распаде ядер: где Z яд e – заряд материнского ядра, Z i е – заряды ядер и частиц, возникших в результате радиоактивного распада.

25 Правила смещения (правила Фаянса и Содди) при радиоактивных α- и β_ – распадах: при α – распаде при β_- распаде Здесь – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, ядро гелия, – символическое обозначение электрона, для которого A = 0 и Z = –1.

26 5. Ядерные реакции и их основные типы Ядерная реакция – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:, или где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

27 В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение расщепления определяет процесс расщепления; эффективное сечение поглощения – процессы поглощения.

28 Эффективное сечение ядерной реакции: где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма n - ядер; dN – число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция. Единицы измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1барн = 10 –28 м 2 ).

29 В любой ядерной реакции выполняются: законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса, момента импульса.

30 В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные распады могут быть как экзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).

31 Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение М. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме: Первая стадия – это захват ядром X частицы a, приблизившийся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 210 –15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд – ядром).

32 Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон или α- частица) может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

33 Так как время жизни составного ядра 10 –16 – 10 –12 с, а характерное ядерное время – время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра (d10 –15 м) - τ10 –22 c, то характер распада составного ядра (испускаемые им частицы b) – вторая стадия ядерной реакции – не зависит от способа образования составного ядра – первой стадии.

34 Если испущенная частица тождественна с захваченной (ba), то возникает рассеяние частицы: упругое – при E b =E a ; неупругое – при E bE a. Если же испущенная частица не тождественна с захваченной (b a), то имеем сходство с ядерной реакцией в прямом смысле слова. Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например, реакция вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).

35 Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам: 1. по роду участвующих в них частиц реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;

36 2. по энергии вызывающих их частиц реакции при малых энергиях (порядка электрон- вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протон, α-частицы); реакции происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к образованию отсутствующих в свободном состояние элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;

37 3. по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А 100); 4. по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испуская один или несколько γ-квантов).

38 6. Деление ядер Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка. 92 U + n 56 Ba + 36 Kr + kn где k > 1. При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200 МэВ.

39 39

40 40

41 Используется цепная реакции деления в двух направлениях: управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов; неуправляемая ядерная реакция деления – создание ядерного оружия. В 1942 г. под руководством Э. Ферми в США был построен первый ядерный реактор. В СССР первый реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. Курчатова. В 1954 г. в СССР была построена первая атомная электростанция.

42 В ядерной физике рассматриваются два процесса: - синтеза и деления ядер. Если соединить два легких ядра, то масса суммарного ядра будет меньше суммы масс первоначальных ядер на М (дефект масс). При соединении легкие ядра сольются с выделением энергии Мс 2. Этот процесс называется синтезом ядер. Разность масс может превышать 0,5%. Энергия водородной бомбы это энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе.

43 У тяжелых ядер существует тенденция к делению на два более легких ядра с выделением энергии. Если расщепляется тяжелое ядро на два более легких ядра, то их масса будет меньше массы родительского ядра на 0,1%. Энергия атомной бомбы и ядерного реактора представляет собой энергию, высвобождающуюся при делении ядер.

44 Оценка энергии, освобождающейся при делении, может быть получена из формулы Вайцзеккера:

45 При делении ядра на два осколка изменяются поверхностная энергия E п = α 2 A 2/3 и кулоновская энергия E к = α 3 Z 2 / A 1/3, причем поверхностная энергия увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается. Деление возможно в том случае, когда энергия, высвобождающаяся при делении Е > 0. Здесь A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости

46 В процессе деления ядро изменяет форму последовательно проходит через следующие стадии : шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

47 Высота барьера деления Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А. Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера деления Н, так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа. Более тяжелым ядрам, как правило, нужно сообщить меньшую энергию, чтобы вызвать деление. Из формулы Вайцзеккера следует, что высота барьера деления обращается в нуль при.

48 С увеличением параметра делимости т.е. с уменьшением высоты барьера деления растет вероятность спонтанного деления Вынужденное деление ядер с может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, α-частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления. Массы осколков, образующихся при делении тепловыми нейтронами, не равны: ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остров

49 На рисунке приведено распределение по массам при делении 235 U. Наиболее вероятная комбинация массовых чисел 95 и 139.

50 В результате деления высвобождается энергия ~ 200 МэВ энергии. За один акт деления образуется более двух нейтронов деления со средней энергией ~ 2 МэВ. В 1 г любого вещества содержится Деление 1 г урана сопровождается выделением ~ Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит энергию сжигания 1 г угля (2, Дж). Стоимость 1 Дж энергии, полученной сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше, чем в случае уранового топлива. Выработка 1 кВт ч энергии обходилась в 1,7 цента на электростанциях, работающих на угле, и в 1,05 цента на ядерных электростанциях.

51 При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона Благодаря цепной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся

52 При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона Если одному из этих нейтронов удастся вызвать деление другого ядра урана, то процесс будет самоподдерживающимся. Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию - критическая сборка. Первая такая сборка, названная ядерным реактором, была построена в 1942 г. под руководством Энрико Ферми на территории Чикагского университета в США. Первый ядерный реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. Курчатова в Москве. Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была пущена в СССР в 1954 г. в г. Обнинске

53 Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была построена пущена в СССР г. в г. Обнинске

54

55 Типы ядерных реакторов Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Система управления реактором состоит из набора стержней, состоящих из материала высокопоглощающего нейтроны. Стержни располагаются в специальных каналах и могут быть подняты или опущены в реактор. В поднятом состоянии они способствуют разгону реактора, в опущенном - заглушают его.

56 Основные элементы активной зоны реактора: - ядерное топливо, - замедлитель нейтронов, - теплоноситель для отвода тепла - устройство для регулирования скорости реакции.

57 и Массу Pu и U можно также сделать надкритической. В этом случае возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Поскольку нейтроны движутся со скоростями, превышающими 10 8 см/с, надкритическая сборка может полностью прореагировать (или разлететься) быстрее, чем за тысячную долю секунды. Такое устройство называется атомной бомбой Ядерное оружие

58 На рис. изображена схема атомной бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Ядерной взрывчаткой в бомбе служил разделенный на две части, масса которых была меньше критической. Необходимая для взрыва критическая масса создавалась в результате соединения обеих частей «методом пушки» с помощью обычной взрывчатки.

59 При взрыве 1 т тринитротолуола (ТНТ) высвобождается 10 9 кал, или Дж. При взрыве атомной бомбы, расходующей 1 кг плутония, высвобождается около Дж энергии. Это почти в раз больше, чем при взрыве 1 т ТНТ. Такая бомба называется 20-килотонной бомбой. Современные бомбы мощностью в мегатонны в миллионы раз мощнее обычной ТНТ-взрывчатки.

60 Синтез ядер Масса или энергия покоя двух легких ядер оказывается больше, чем у суммарного ядра. Если легкие ядра привести в соприкосновение, то результирующее ядро имело бы меньшую массу и высвободилась бы энергия, равная разности масс. Например: Если соединить два дейтрона и получить ядро гелия, масса которого меньше суммарной массы двух дейтронов на 24 МэВ, то высвободится энергия синтеза 24 МэВ.

61 Процесс синтеза примерно в 6 раз эффективнее процесса деления урана. В воде озер и океанов имеются неограниченные запасы недорогого дейтерия. Серьезным препятствием на пути к получению энергии в неограниченных количествах из «воды» является закон Кулона. Электростатическое отталкивание двух дейтронов при комнатной температуре не позволяет им сблизиться до расстояний, на которых сказываются короткодействующие ядерные силы притяжения.

62 Для получения управляемой термоядерной энергии и для инициирования термоядерного взрыва водородной бомбы необходима температура около К. Ядерные реакции, требующие для своего осуществления температур порядка миллионов градусов, называются термоядерными. Мгновенные температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, оказываются достаточно высокими, чтобы поджечь термоядерное горючее.

63 Вместо жидкого дейтерия в качестве горючего используется соединение LiD, причем только с изотопом 6 Li. Изотоп 6 Li поглощает нейтроны, возникающие в реакции Затем тритий ( 3 T) вступает в реакцию

64 Происходит выгорание дешевого дейтерида лития-6 ( 6 Li 2 D) с образованием 3 Не, 4 Не и нейтронов. Начавшись, термоядерные реакции сопровождаются выделением энергии, и этим обеспечивается поддержание высоких температур, пока большая часть вещества быстро не «выгорит». Происходит взрыв водородной бомбы. Термоядерное горючее для водородной бомбы (дейтерид лития-6) дешево, и нет ограничений на его количество при использовании в бомбе. Проводились испытания бомб мощностью 60 мегатонн (с ТНТ-эквивалентом т).

65 Энерговыделение при взрыве термоядерной водородной бомбы можно почти удвоить (при этом стоимость ее увеличится не намного) за счет использования оболочки из 238 U. В этом случае нейтроны, возникающие в результате термоядерных реакций, вызывают деление ядер 238 U, что приводит к увеличению числа нейтронов, бомбардирующих 6 Li, и т.д. В большинстве взрывов водородных бомб энерговыделение, обусловленное делением ядер, оказывается таким же, как и получаемое в процессе синтеза, и сопровождается опасными выпадениями радиоактивных продуктов деления.

66 Управляемый синтез Чтобы с помощью ядерного синтеза получить полезную энергию, термоядерные реакции должны быть управляемыми. Необходимо найти способы создания и поддержания температур во много миллионов градусов. Одна из технических проблем связана с тем, что высокотемпературный газ, или плазму, нужно удерживать таким образом, чтобы не расплавились стенки соответствующего объема.

67 На рисунке показана предполагаемая схема конструкции термоядерного реактора.

68 Принципиальная схема установки:

69 Радиационная безопасность Количество несчастных случаев, связанных с атомной энергетикой, значительно меньше на АЭС, чем в других областях человеческой деятельности. Тем не менее, несколько лет назад происшедшая авария в Чернобыле заставляет пересмотреть наше отношение к организации безопасности работы АЭС и защиты от неконтролируемого развития ядерной реакции. Необходимо дальнейшее снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, хотя, вероятно, полностью избежать их никогда не удастся.

70 Название элементаХарактеристика элемента и меры предосторожности Период полураспада Радон-222 Газ, испускающий α - частицы. Образуется в горных породах. Опасен при накоплении в шахтах, подвалах, необходимо проветривание. 3,8 суток Ксенон-133 Газообразные изотопы. Образуются и распадаются в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты- изоляция 5 суток Йод-131 Испускает β – частицы и γ – излучение. Образуется при работе атомного реактора. Вместе с зеленью усваивается животными и переходит в молоко. Накапливается в щитовидной железе человека. В качестве защиты от облучения применяют «йодную диету», т.е. вводят в рацион человека стабильный йод. 8 суток Криптон-85 Тяжелый газ, испускающий β – частицы и γ – излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при ох хранении. Защита – изолированное помещение. 10 лет Стронций -90 Металл, испускающий β – частицы. Основной продукт деления в радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека. 29 лет Цезий-137 Металл, испускающий β – частицы и γ – излучение. Накапливается в клетках мышечной ткани. 30 лет Радий-226 Тяжелый газ, испускающий α – частицы, β – частицы и γ – излучение. Защита – укрытия, убежища 1600 лет Углерод-14 Испускает β – частицы. Естественный природный изотоп углерода. Используется при определении возраста материала лет Плутоний-239 Испускает α – частицы. Содержится в радиоактивных отходах. Защита – качественное захоронение радиоактивных отходов лет Калий-40 Испускает β – частицы и γ – излучение. Содержится и замещается во всех растениях и животных 1,3 млрд. лет 70

71 Биологическое действие ионизирующих излучений и способы защиты от них Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом – у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30–60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь.

72 Острая лучевая болезнь легкой степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 1–2.5 Гр. Первичная реакция (первые 2–3 дня) – головокружение, тошнота. Латентный период (около 1 месяца) – постепенное снижение первичных признаков. Восстановление полное. Острая лучевая болезнь средней степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 2.5–4 Гр. Первичная реакция (первые 1–2 часа) – головокружение, тошнота, рвота. Латентный период (около 25 дней) – наличие изменения слизистых оболочек, инфекционных осложнений, возможен летальный исход.

73 Острая лучевая болезнь тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе 4–10 Гр. Первичная реакция (первые 30–60 минут) – головная боль, повторная рвота, повышение температуры тела. Латентный период (около 15 дней) – инфекционные поражения, поражения слизистых оболочек, лихорадка. Частота летальных исходов выше, чем при средней степени тяжести. Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе более 10 Гр. Летальный исход почти неизбежен. Несмотря на ту опасность, которую представляет атомная энергетика, она является той экологически чистой индустрией, на которую возлагает свои надежды все передовое человечество.