Реакции синтеза атомных ядер
Реакции синтеза - образование из легких ядер (за счет их слияния) более тяжелых ядер. Термоядерные реакции – синтез при Т~107К (Qвыд=17,6 МэВ) – водородная бомба У водорода 3 изотопа: протий - , дейтерий - ("тяжелый водород,"образует "тяжелую воду"), тритий - (радиоактивен). (Qвыд=22,4 МэВ) Сверхвысокие температуры Т~107К нужны для сближения нуклонов, чтобы они объединились в ядро. При взрыве водородной бомбы это осуществляется с помощью предварительного взрыва атомной бомбы Дейтерия в 1 стакане воды по энергии ~60 л бензина. Первая искусственная термоядерная реакция (взрыв водородной бомбы) была осуществлен в СССР (1953 г.) –потом в США. Термоядерные реакции, предположительно, являются источником энергии Солнца и звезд. Радиоактивность. α, β, -излучения. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц. Этот процесс характерен лишь для нестабильных ядер. Радиоактивность бывает естественной (в природных условиях) и искусственной (при ядерных реакциях). Если обозначить через dN количество ядер, подвергшихся радиоактивному распаду за время dt, то dN=-λNdt, где λ; – постоянная распада. Знак (-) взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N. Интегрирование дает: N=N0e-2t – закон радиоактивного распада где N0 – изначальное число ядер (t=0) N – количество не распавшихся ядер в любой момент времени t. Выражение определяет количество ядер, распавшихся за промежуток времени t. Время, за которое распадается половина всех имевшихся в начальный момент ядер, называется периодом полураспада T. () – называется средним временем жизни ядра Процесс радиоактивного распада сопровождается тремя видами излучения: 1. α - распад (в магнитном поле ведет себя так поток положительно заряженных частиц); α – распад - это дважды ионизированные атомы гелия (т.е. – ядра гелия). Скорость ≈107м/с. Лист бумаги – защита Символическая запись ядерной реакции: . Пример: () Th – торий 2 .(β-) - распад (в магнитном поле ведет себя как поток отрицательно заряженных частиц). Символическая запись: , где – антинейтрино; е – электрон нейтрон, протон, электрон - подтверждено для свободных электронов. 0< <Emax – непрерывный спектр излучения электронов. Пример: (), где Ра – протактиний, – антинейтрино; е – электрон Кроме (β-) существует еще, так наз., - распад (позитронный распад) Позитрон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. (свободный протон такую реакцию осуществить не может). Пример: , где – позитрон, Участие в процессах распада нейтрино и антинейтрино диктуется законом сохранения момента импульса. 3. - лучи – на магнитное поле не реагируют. В виде самостоятельного радиоактивного излучения среди естественно-радиоактивных веществ не встречается. Правила радиоактивного смещения Если в процессе радиоактивного превращения - лучи, то в таблице Менделеева происходит переход на 2 клетки вперед (к началу таблицы), если - распад, то на одну клетку дальше от начала таблицы Менделеева. Правила смещения являются следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах – закон сохранения элементарных зарядов и закон сохранения массового числа. В результате радиоактивного распада могут возникать нестабильные ядра и т.д. до образования стабильного элемента (радиоактивные семейства). Семейства называются по наиболее долго живущему по периоду полураспада родоначальнику семейства. Существует 4 радиоактивных семейства. Торий Рb Нептуний Bi (искусственно получен. ядра) Уран Pb Актиний Pb
Свинец и висмут (Рb и Bi) – конечные элементы в радиоактивных семействах. - семейство урана - семейство тория При ядерных реакциях выполняются основные законы сохранения: 1. элементарного заряда; 2. числа нуклонов (в реакциях без античастиц); 3. энергии (полная энергия всех продуктов реакции не изменяется); 4. импульса и момента импульса Источники радиации.
1. Перелет самолетом (в 25 раз выше уровня моря) экипаж!!! 2. Жители в горах (в несколько раз больше) 3. Газ радон (непроветриваемые помещения). Гранит, пемза, некоторые глиноземы, грунт. (>5000раз, Швеция и Финляндия). Фосфатные удобрения содержат уран. 4. Диагностика в медицине, рентгенография. 5. Ядерные взрывы, аварии атомных реакторов. 6. Добыча урановой руды – отходы. 7. Профессиональное облучение (мед. диагностика). 8. Шахтеры, курорты с радоном. 9. Отбеливание зубов (блеск) уран, свечение телевизора (практически не излучает), проверка багажа. Экспозиционная доза облучения: - отношение суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе к массе этого воздуха. Единица измерения (устаревшая, но применяемая) Р(рентген)=2,58·10-4 Современная: 1 ЗИВЕРТ = 100 РЕНТГЕН.
Методы регистрации ионизирующих излучений:
1.Сцинтилляционный счетчик (кристаллофосфор + фотоумножитель) Регистрирует: α-(ZnS), β; и - (NaI-Tl) Заряженная частица, пролетая через вещество, вызывает как ионизацию, так и возбуждение атомов. Возвращаясь в стационарное состояние, атомы излучают кванты видимого света. Вспышка света передается фотоумножителю. Электрические импульсы на выходе фотоумножителя подвергаются счету. 2.Ионизационная камера (несамостоятельный разряд)
3.Газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера-Мюллера). Самостоятельный разряд, гасится сопротивлением. 4. Полупроводниковый счетчик 6. Пузырьковая камера (перегретая жидкость) 5 и 6 – работают циклами, наблюдаются трэки – следы частиц в камере. 7. Ядерные фотоэмульсии (авторадиография) 8. Окрашиваемые детекторы (стекло, кварц – могут окрашиваться)
Ядерные силы. Модель ядра.
Между нуклонами действуют силы, во много раз большие кулоновского отталкивания (радиус действия r~10-15м) Ядерные силы относятся к классу, так называемых, сильных взаимодействий. Основные свойства 1. Ядерные силы являются силами притяжения. 2. Ядерные силы – короткодействующие. 3. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость,
, то есть они имеют неэлектрическую природу. 4. Ядерным силам свойственно насыщение, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом соседей. 5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов ( образуется лишь при со направленных спинах протона и нейтрона). 6. Ядерные силы не являются центральными. Модели ядра
I. Капельная (1936 г). Бор, Френкель. Капельная объяснила механизм ядерных реакций. Не смогла объяснить магические числа. Основа – аналогия между поведением молекул в капле (V-const, ρ-const). II. Оболочечная (1949-50 гг). американец Геппер-Майер, немец Иенсен. Легкие и средние ядра описали. Распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим оболочкам, заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Объяснение: магические числа – полностью застроенные оболочки. III. Синтез моделей (обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра).
|