Мы тайны эти с корнем вырвем у ядра На волю пустим джинна из бутылки! В.Высоцкий Ядерные реакции Е= mc 2
Радиоактивность – Явление самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов в ядра других атомов с испусканием частиц и излучением энергии. Радиоактивный распад – самопроизвольное превращение исходного (материнского) ядра в новые (дочерние) ядра.
α - распад. Испытывают ядра с избытком протонов. Испускается α частица – атом гелия. - 88 протонов - 136 нейтронов + = + Уравнение α -распада для любых радиоактивных веществ Кинетическая энергия продуктов распада определяется разностью масс материнского ядра и продуктов распада 1 а.е.м.=1,66 кг
β - распад. Уравнение β -распада для любых радиоактивных веществ + + Не входят в состав атомного ядра, а рождаются в процессе β -распада При β - распаде один из нейронов превращается в протон при этом образуется электрон В результате β - распада выделяется энергия распада
Промежуток времени за который произойдет распад половины первоначального числа атомов, называется – период полураспада (Т). Закон убывания числа радиоактивных атомов со временем (закон радиоактивного распада) Где t - произвольный момент времени в течений которого рассматривают радиоактивный распад T- период полураспада - число атомов в начальный момент времени Число распадов в 1 сек- активностью радиоактивного вещества. [ А ]- беккерель (1 Бк) Среднее время жизни радиоактивного изотопа
атом имеет положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома; в ядре сконцентрирована почти вся масса атома; электроны вращаются вокруг ядра по орбитам (почти как планеты вокруг Солнца). Опыт Резерфорда
Планетарная модель атома Атомы состоят из атомных ядер и электронов. Электрон – это частица, заряд которой отрицателен и равен по модулю элементарному заряду e = 1,6·10 –19 Кл, а масса m e = 9,1·10 –31 кг. Атомное ядро заряжено положительно. Его диаметр не превышает 10 –14 –10 –15 м, а заряд q равен произведению заряда электрона на порядковый номер атома Z в таблице Менделеева: q = Z · e q = Z · e.
Протон – это частица, заряд которой положителен и равен по модулю заряду электрона: q p = +1,6·10–19 Кл, а масса m p = 1,6726·10–27 кг = 1,007276470 а.е.м. Входит в состав ядра любого элемента. В свободном состоянии является атомом водорода. Обозначается При бомбардировке ядер B, F, Na и др., вылетала таже самая частица. (от греч. Protos - первый). 1932 г. Джеймс Чедвик установил, что ядра атомов состоят не только из протонов, но и других частиц – неитронов. Нейтрон – это нейтральная частица, масса которой равна m n = 1,6749·10–27 кг. Свободный нейтрон – нестабильная элементарная частица, которая распадается на три частицы: протон, электрон и антинейтрино. Обозначают
Протон и нейтрон – два разных состояния одной и той же частицы, котрая называется – нуклон ( от лат. Nucleus - ядро ). Число нуклонов, массовое число (А = P+N ) Электрический заряд частицы, порядковый помер элемента, число « e »,( Z ) Ядро любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов В целом атом нейтрален- число протонов равно числу электронов. Но в ядрах атомов одного и того же химического элемента может находиться разное число протонов. Так называемые изотопы
вид причина следствие α - избыток протонов избыточная энергия ядра на каждый протон Е к =4, 871 МэВ выброс протонов с ядром гелия β - Избыток нейтронов избыточная энергия ядра на каждый электрон Е к от 0 до Е к = 0, 783 МэВ из-за превращения: Выброс электронов Возбужденное состояние ядра избыточная энергия ядра излучение фотона Радиоактивность естественная - распад изотопов, полученных при ядерных реакциях
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или гамма-квантов.
Эффективность использования ускорителей объясняется тем, что: 1.частицам может быть сообщена энергия порядка 10 5 МэВ ( у альфа частицы она порядка 9 МэВ ) 2. можно использовать протоны, которые не появляются при радиоактивном распаде ( ) Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году: 3. можно ускорять частицы, более тяжелые, чем ядра гелия. Условия, для протекания ядерной реакции. Частица должна 1. попасть в сферу действия ядерных сил (на расстояния порядка 10 -15 м) 2. Обладать достаточной кинетической энергией В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения : импульса, энергии, момента импульса, заряда числа нуклонов – протонов и нейтронов. Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц. Ядерные реакции
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ядерные реакции Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
Для практического использования наиболее интересными являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями Ядерные реакции
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина, равная разности энергий покоя ядер и частиц до и после реакции. где M A и M B – массы исходных продуктов, M C и M D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс.
Чтобы выяснить этот вопрос, необходимо определить знак дефекта масс. Расчетная формула: Если в результате расчета получим положительное значение дефекта масс, энергия выделяется. Если в результате расчета получим отрицательное значение дефекта масс, энергия поглощается. Справочные данные берем из таблицы относительных атомных масс некоторых изотопов (табл.13 - задачник Рымкевича).
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной
КАК РЕШИТЬ ЗАДАЧУ ? Т. к дефект массы < 0 энергия поглощается
Рассчитать энергетический выход реакции 1 а. е. м.=1,66 · 10 -27 кг 1Мэв= 1,6 · 10 -13 Дж Q= 1,66 · 10 -27 кг · 9 · 10 16 м 2 / 1,6 · 10-13Дж · с 2 = 931 МэВ Q =931 МэВ переводной коэффициент для расчета энергии в МэВ Q =-0,00129 · 931 МэВ =-1,2 МэВ Данная реакция идет с поглощением 1,2 МэВ энергии
Ядерные реакции могут протекать -с выделением энергии (Q > 0), если Е кин. ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции. удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. ΔM должна быть положительной -с поглощением энергии (Q < 0), если Е кин. ядер и частиц после реакции меньше, чем до реакции. Энергетический выход ядерной реакции
Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс. . Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии
Термоядерными реакциями называются ядерные реакции синтеза легких ядер в более тяжелые.
Температура порядка 10 7 К характерна для центральной части Солнца. Спектральный анализ излучения Солнца показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца количество этих газов достаточно велико. Термоядерные реакции
эффективно происходят при свервысоких температурах порядка 10 7 – 10 9 К. При термоядерных реакциях выделяется весьма большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер. Термоядерные реакции
Для слияния легких ядер необходимо преодолеть кулоновское отталкивание протонов в одноименно положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода (дейтерия)их надо сблизить на расстояние 3 • 10 -15 м. Для этого их кинетическая энергия должна быть равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2 • 10 9 К. Практически по ряду причин температура, необходимая для термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 10 7 К.
Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Дейтерий, необходимый для наиболее эффективной реакции содержится в воде морей и океанов(в виде молекул Н 2 О и D 2 О). его количества хватит на сотни миллионов лет. Тритий можно получать в ядерном реакторе в результате облучения жидкого лития(запасы которого огромны) нейтронами: Термоядерные реакции
Одним из важнейших преимуществ управляемого термоядерного синтеза является то, что в отличие от реакций деления тяжелых ядер, в результате термоядерного синтеза не образуются радиоактивные отходы. Термоядерные реакции Реакторы будущего могут использовать энергию синтеза ядер, протекающую по четырем основным схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p).
Реакция Энергетический выход, (МэВ ) D + Т 4 Не + n 17,6 D + D 3 He + n 3,27 D + D T + p 4.03 p + T 4 He + 19.8 Наиболее перспективной считается первая, в которой из 17,6 МэВ энергии 3,5 МэВ уносит 4 He, а 14,1 МэВ - нейтрон. В последней реакции основная доля энергии приходится на гамма-излучение. Реакторы будущего могут использовать энергию синтеза ядер, протекающую по четырем основным схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p).
Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.
Физики-ядерщики подтвердили предсказание второго острова стабильности На 235-й национальной встрече Американского химического общества (АХО) академик РАН Юрий Оганесян подтвердил, что физики-ядерщики надеются найти второй остров стабильности химических элементов. Он может лежать очень далеко — вплоть до области элементов с атомным номером около 164, сообщает АХО в своем пресс-релизе. Элементы с атомным номером (количеством протонов в ядре) выше 92 (трансурановые элементы) имеют сравнительно короткий период полураспада, из-за чего в природе встречаются мало или не встречаются вовсе. Многие искусственно синтезированные сверхтяжелые элементы существуют всего лишь доли секунды. Согласно одной из гипотез, в трансурановой области периодической таблицы Менделеева существуют так называемые острова стабильности: последовательности элементов, обладающих относительно большим временем жизни. Этой гипотезы придерживаются многие ученые из двух ведущих мировых центров исследования сверхтяжелых элементов: международного Объединенного института ядерного исследований (ОИЯИ; Россия) и Ливерморской национальной лаборатория имени Лоуренса (США). Исследования недавно синтезированных элементов 113, 114, 115, 116 и 118 (элементы с большим атомным номером пока не синтезированы) частично подтвердили гипотезу об островах стабильности: время жизни элементов с номерами от 110 до 114 заметно больше, чем у соседних элементов, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Ученые работают над синтезом более тяжелых элементов, а также теоретическим поиском второго острова стабильности. Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, поддержал ранее высказывавшуюся гипотезу, что существует и второй остров стабильности, лежащий очень далеко от первого. Удастся ли его достичь в обозримом будущем — непонятно: по некоторым теориям, остров может лежать в области 164-го элемента: такие тяжелые ядра пока не удается ни синтезировать, ни описать теоретически. © Lenta.Ru 07.04.2008 18:42
Уран - это очень тяжелый (плотный) металл, который может быть использован как источник, содержащий в изобилии концентрированную энергию. Он встречается во многих породах в концентрации 2-4 части на миллион, и, как правило, в земной коре. Также встречается в морской воде, и может быть извлечен из океанов в случае значительного роста цен. Был открыт в 1789 в минерале, который называется настуран. Был назван в честь планеты Уран, которая была открыта на восемь лет раньше. Предположительно, уран был образован в сверх новых (super novae) около 6.6 миллиардов лет назад. На сегодня его радиоактивный распад является основным источником тепла внутри земли, вызывая конвекцию и дрейф континентов, в то время как в солнечной системе такого не происходит. Температура плавления 1132 С. Химический символ U.
В масштабе, созданном согласно увеличению массы ядра, уран является самым тяжелым среди всех природных элементов (водород - самый легкий). Удельный вес урана 18.7. Как и другие элементы, уран встречается в слегка различимых формах, называемых "изотопами". Эти изотопы отличаются друг от друга количеством частиц (нейтронов) в ядрах. "Природный" уран, встречаемый в земной коре, представляет собой смесь в основном двух изотопов: урана-238 (U-238), около 99.3%, и U-235 около 0.7%.
Изотоп U-235 важен, потому что при некоторых условиях он легко расщепляется, высвобождая много энергии. Поэтому говорят, что он "делящийся", и используется выражение "ядерное деление"Между тем, как все радиоактивные изотопы, он распадается. U-238 распадается очень медленно, его период полураспада такой же как и возраст земли. Это означает, что он имеет низкую радиоактивность, меньшую, чем у многих других изотопов в породах и песке. Тем не менее, он генерирует 0.1 ватт/тонну, и этого достаточно для обеспечения тепла земной коры.
Ядро изотопа урана U-235 состоит из 92 протонов и 143 нейтронов (92 + 143 = 235). При делении атома U-235 на две части нейтроном высвобождается некоторая энергия в виде тепла, и выбрасывается 2 или 3 дополнительных нейтрона. Если достаточное количество этих вытесненных нейтронов расщепляет ядра других атомов U-235, высвобождая последующие нейтроны, происходит "цепная реакция". Когда этот процесс повторяется снова и снова, миллионы раз, появляется очень большое количество тепла из относительно небольшого количества урана. Именно этот процесс, с эффектом "сгорания" урана, происходит в ядерном реакторе. Тепло используется для того, чтобы пар производил электричество.
Урановая руда.
ПИК КАЛЬЦИЯ ПИК ОЛОВА ПИК СВИНЦА О. СТАБИЛЬНОСТИ О. ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР МОРЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ пролив радиоактивности УРАНОВАЯ ВЕРШИНА нестабильности пролив
В 1939г. - было открыто деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами учеными Отто Ганом и Фрицем Шрассманом. Атом урана, поглотив нейтрон, возбуждается, деформируется ( ядро вытягивается, ядерные силы ослабевают при увеличениии расстояний между нуклонами) и разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов.
Поглощая нейтрон, ядро урана получает необходимую энергию для преодоления ядерных сил притяжения между нуклонами, приэтом внутренняя энергия ядра увеличивается. При распаде ядра часть внутренней энергии переходит в кинетическую энергию осколков, а затем за счет торможения их во внутреннюю энергию окружающей среды. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии. в окружающую среду.
Радиоактивность и радиоактивное излучение Уран, торий и некоторые другие элементы обладают свойством непрерывно и без каких-либо внешних воздействий испускать невидимое излучение, которое способно проникать сквозь непрозрачные экраны и оказывать ионизационное и фотографическое действия. Свойство самопроизвольного испускания подобного излучения получило название радиоактивности. Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоактивными элементами, а испускаемое ими излучение — радиоактивным излучением. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения. Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучение испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Испуская - и -излучение, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента. В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают -распад — испускание -частиц, и -распад — испускание -частиц. Деление ядер урана. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных реакций в практических целях, если удастся осуществить цепные ядерные реакции. Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. При делении одного ядра урана на два осколка освобождается 2 или 3 нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков, остальная энергия приходится на нейтроны и гамма-кванты. При благоприятных условиях освобождающиеся в первой реакции нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении 3 ядер урана должно освобождаться от 6 до 9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д.
** Полный цикл ядерных реакций дейтериевого горения: D + D Ю t + p + 4 МэВ. D + T Ю 4He + n + 17,6 МэВ. D + D Ю 3He + n + 3,3 МэВ. D + 3He Ю 4He + p + 18,3 МэВ. Итог: 6D Ю 2 4He + 2p + 2n + 43,2 МэВ
Откуда Солнце черпает энергию? Энергия, заставляющая Солнце светить, вырабатывается в его ядре, где существует огромное давление и температура достигает 15000000 градусов. В таких условиях происходит синтез ( слияние) ядер водорода и образование ядер другого элемента - гелия. В результате этого процесса, называемого ядерным синтезом, выделяется громадное количество энергии.
Термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез – это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.
Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях).
Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.
В настоящее время, более 85% энергии производимой человеком получается при сжигании органических топлив - угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200 - 300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли. Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство энергии возрастет к 2050 г примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 1021 Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии - органические топлива - придется заменить на другие виды производства энергии.
Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течении многих сотен, если не тысяч лет.
Все реакции, приведенные в Таблице 1, кроме последней, происходят с выделением энергии в виде кинетической энергии продуктов реакций, q, которая указана в скобках в единицах миллионов электронвольт (МэВ), В физике плазмы принято мерить энергию в электронвольтах. Один электронвольт это такая энергия, которую приобретет электрон, ускоряясь в разнице потенциалов в один вольт. Т.к. заряд электрона равен q=1.6 ·10 –19 Кл, а энергия электрона, ускоряющегося в электрическом поле равна E=qU, то 1 эВ = 1.6 ·10 –19 Дж = 11600 °К. Две последние реакции играют особую роль в управляемом термоядерном синтезе - они будут использоваться для производства трития, которого практически не существует в природе.
§§ 38-39, 45-46 План конспекта 1. Схема модели атома Дж. Томсона (рис) 2. Модель атома Э. Резерфорда (рис) 3. Виды радиоактивного излучения 4. Что происходит с атомом, если он теряет (приобретает) электроны? 5.Составьте схему строения атома с основными характеристиками(заряд, масса, размеры частиц) 6. Какие виды взаимодействий существуют внутри атомного ядра и элементарных частиц? 7. Какие ядерные реакции бывают? Запишите формулы реакций. 8. Что такое дефект масс, и почему он происходит? Запишите формулу нахождения дефекта масс. 9. Что такое термоядерный синтез.
СПАСИБО ЗА УРОК
