Лекция 54

Лекция 54
Тема:
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Размеры ядер. Изотопы.
Дефект масс. Энергия связи. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
Свойства ионизирующих излучений. Биологическое действие излучений. Ядерные
реакции. Реакция деления. Реакция синтеза. Ядерный реактор.
Началом изучения атомного ядра можно считать открытие в 1896 году
французским ученым Беккерелем испускание солями урана неизвестных частиц. Это
явление получило название радиоактивность. К исследованию радиоактивности
подключились другие ученые. Пьер и Мария Кюри открыли еще два новых
радиоактивных элемента: полоний и радий. Резерфорд, наблюдая прохождение
неизвестных частиц через магнитное поле, обнаружил неоднородность излучения. В
магнитном поле оно распадалось на 3 луча, которые Резерфорд назвал α, β и γ частицами.
При дальнейших исследованиях были установлены следующие свойства
радиоактивности:
1. Радиоактивные частицы испускаются ядром атома, при этом может образовываться
новый химический элемент. При α излучении испускается ядро атома гелия и
уравнение ядерной реакции выглядит так:
-правило смещения для альфа распада. Материнское ядро элемента с порядковым
номером Z и атомной массой A превращается в изотоп нового химического
элемента, который смещен в таблице Менделеева на две клетки. При β распаде
испускаются электроны – бета (минус)- распад или позитроны – бета(плюс) распад.
Соответствующие реакции:
– нейтрино ( антинейтрино)- частица, существование которой предположил
Вольфганг Паули. Введение этой частицы позволяло объяснить тот факт, что
кинетическая энергия электронов (позитронов) при бета распаде принимало любое
значение от 0 до 0,783 МэВ. Часть энергии уносится нейтрино, а распределение
кинетической энергии между частицами происходит случайным образом. Позже
существование нейтрино было доказано экспериментально.
γ излучение это испускание электромагнитных квантов весьма малой длиной волны
(менее 10-10 м). Химических изменений ядро при этом не претерпевает.
1. Радиоактивный распад- вероятностный процесс. На испускание частиц
внешние факторы влиять не могут. Пусть N0 – первоначальное количество
радиоактивных ядер. Тогда зависимость числа оставшихся радиоактивных ядер от
времени можно выразить зависимостью:
2 (1).
- Т –период полураспада (время за которое распадается половина от первоначального
количества радиоактивных ядер). Период полураспада является главной характеристикой
радиоактивного элемента. Чем он меньше, тем более интенсивное излучение. Период
полураспада изотопа урана-238 около 5*109 лет, а протактиния 1,18 минуты. Зависимость
(1) называется законом радиоактивного распада. График зависимости приведен на рис. 1.
Радиоактивное излучение называют также
ионизирующим излучением, так как проходя через
вещество оно вызывает ионизацию его атомов. Для
живых организмов ионизация может привести к
нарушению функций клеток и как следствие
заболеваний. Мерой действия излучения на вещество
называется дозой поглощения. Доза поглощенного
излучения это отношение энергии излучения,
поглощенного облучаемым телом, к его массе:
D=E/m. Единицей является 1 грэй 1ГР=1 Дж/кг.
Внесистемной единицей служит рентген – доза
облучения, при которой в 1 см3 воздуха при
нормальных условиях образуется 2,083*109 пар
одновалентных ионов. (0,01 Гр примерно
соответствует 1 рентген). Разные виды излучения
оказывают различное биологическое действие. Для
характеристики биологического действия различных
видов излучения вводится коэффициент
относительной биологической активности (КОБА)k. При этом рентгеновское и гамма излучение
принимается за единицу. В таблице приведены значение коэффициента для различных
видов излучений.
Вид
Рентгеновское
БетаМедленные Быстрые Протоны
Альфаизлучения
и гаммаизлучение нейтроны нейтроны
излучение
излучения
k
1
1-1,5
3-5
10
10
20
Для оценки действия излучения на живой организм вводится величина –
эквивалентная доза. H=kD. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (1Зв).
Допустимая доза облучения <0,25 Зв. При дозе более 1 Зв может возникнуть лучевая
болезнь. Доза более 6 Зв является смертельной. Естественный радиационный фон
составляет 2 мЗв в год. Наибольшей вклад в этот фон вносит инертный газ радон,
образующийся в почве.
Естественный фон
3%
8%
Радон
8%
Медицинские обследования
11%
55%
15%
Пища
Космические лучи
Промышленные товары
Прочие источники
Радиоактивные излучения имеют и практическое применение. Их используют для
научных исследований, в медицине, в сельском хозяйстве для обработки семян и во
многих других областях.
В 1910 году Резерфорд установил, что ядро атома имеет положительный заряд.
После открытия в 1932 году Чедвиком нейтрона модель атомного ядра представляется как
совокупность двух частиц: положительно заряженного протона и нейтрона, которые
называются нуклонами. Массы протона и нейтрона почти одинаковые. Основной
характеристикой атомного ядра является зарядовое число – Z. Оно равно количеству
протонов в ядре. Число нуклонов в ядре определяется массовым числом –А. Таким
образом можно определить количество нейтронов: A-Z. Ядра с одинаковым Z, но разными
А называются изотопами. Наоборот, ядра с одинаковым А называются изобарами. Размер
ядра составляет порядка 10-15 м.
Поскольку в ядре может находится большое количество протонов, но должна
существовать сила, которая удерживает нуклоны в ядре. Эта ядерная сила получила
название сильного взаимодействия. Отличительные особенности ядерных сил:
1.
Ядерные силы короткодействующие. Их радиус действия сравним с
размерами ядра, то есть 10-15 м.
2.
Ядерные силы не зависят от зарядов нуклонов.
3.
Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть каждый нуклон
взаимодействует с ограниченным количеством нуклонов.
4.
Переносчиками сильного взаимодействия являются частицы, называемее
мезонами.
Массы ядер и частиц измеряются в атомных единицах массы (а.е.м.) 1
а.е.м.=1,66*10-27 кг. Масса ядра всегда меньше его составных элементов:
(
)
я
Величина Δm называется дефектом массы. Mp- масса протона mn- масса нейтрона, mя –
масса ядра. При объединении нуклонов в ядро выделяется энергия, которая называется
энергией связи. Энергия связи равна работе, которую нужно совершить, чтобы
разделить ядро на отдельные нуклоны. Согласно формуле Эйнштейна энергия связи
равна: Eсв=Δmс2. Для удобства расчетов можно принимать с2=931,5 МэВ/а.е.м.
(1 МэВ=1,6*10-13Дж) Удельная энергия связи Еуд=Есв /А . Зависимость удельной энергии
связи от массового числа приведена на рисунке
2.
Максимум энергии связи приходится на
элементы с массовыми числами 50-60 (от хрома
до цинка). Из графика видно, что
энергетически выгодными являются два типа
ядерных реакций: 1) слияние легких ядер
(синтез); 2) деление тяжелых ядер на более
легкие. Наиболее легко осуществимым
является второй тип реакций.
Реакции деления.
Наиболее пригодным для использования в
реакциях деления являются изотопы урана -235
и плутония 239. 235U встречается в природном
уране в количестве 0,7% и для использование
требуется обогащение, а Pu получают
искусственно в ядерных реакторах из 238U. Оба элемента хорошо делятся при захвате
медленных нейтронов. Ядра становятся нестабильными и распадаются на два осколка,
которые разлетаются под действием кулоновских сил, при этом образуются еще 2-3
нейтрона, которые в свою очередь,
вызывают деление ядер (цепная
реакция) –см. рис.3.
Необходимым условием
незатухающей реакции является
условие, что количество нейтронов в
данном поколении было больше
количества нейтронов в предыдущем
поколении. Данная физическая
величина называется коэффициентом
размножения неqтронов и
обозначается k (k>1). Для того, чтобы
реакция была незатухающая,
необходимо, чтобы масса делящегося
вещества была не меньше
критической массы. Впервые
незатухающую реакцию деления
осуществили в США с природным
ураном под руководством Ферми.
Незатухающая реакция применяется в ядерном оружие (неуправляемая реакция) и в
ядерном реакторе (управляемая ядерная реакция). Схема ядерного реактора представлена
на рисунке 4.
Блоки с ядерным топливом в
гетерогенном реакторе располагаются в
виде стержней, называемыми
тепловыделяющими элементами
(ТВЭЛами), образуют правильную
решѐтку. В реакторах гомогенного типа
топливо и замедлитель представляют
однородную смесь. Замедлитель состоит
из графита или воды. Регулирующие
стержни изготавливаются из
материалов хорошо поглощающих
нейтроны (бор, кадмий). Их роль в
регулировании коэффициента размножения нейтронов близком к единице, а в случае
необходимости заглушить ядерную реакцию.
Реакция синтеза.
Для реакции синтеза необходимо сблизить ядра легких атомов на расстояние, на
котором начинают действовать ядерные силы. При этом необходимо преодолеть
кулоновские силы отталкивания. Это возможно, если сообщить ядрам большую
кинетическую энергию. Это соответствует температуре порядка 107 К. По этой причине
не реакция управляемая синтеза пока не была осуществлена. Неуправляемая реакция
используется в термоядерной бомбе, в качестве "запала" (для начала термоядерного
синтеза) взрывают обычный ядерный заряд, который создает необходимую температуру.
Термоядерный синтез это источник энергии звезд. Пример термоядерной реакции слияния
дейтерия и трития может выглядеть следующим образом:
Безусловно, что осуществление управляемой термоядерной реакции предоставит
человечеству практически неограниченный источник энергии. Реакция синтеза имеет
преимущество и с экологической точки зрения.