Підготовлено: Б. Горватхова
Атомні ядра - це складні системи. Вони складаються з нуклонів t. j. нейтрони і протони. Тільки ядро атома Гідрогену є простою системою. Склад ядер важливий не тільки для фізики, але і для хімії. Електричний заряд ядра qj = + Ze, e = 1,602 * 10 -19 С, залежить лише від числа протона.
Нукліди утворений атомами, ядра яких мають однакове протонне число Z і однакове нуклонне число A. Ізотопи є різними нуклідами одного елемента, мають однакове число протонів і різні нуклонні числа, тому вони також мають різну масу.
Цікаво розрахувати суму мас ядер в ядрі m`j = Zmp + Nmn, порівняти їх із фактичною, експериментально визначеною масою ядра mj Маса ядра завжди менша за суму маси протонів і нейтронів. mj 2, де? m - зміна ваги спокою системи.
Енергія зв'язку Ej ядра, що складається з Z-протонів і N нейтронів, має втрату маси Bj пов'язані відношенням Ej = Bjc 2, Bj = Zmp + Nmp - mj.
Чим більший Bj, тим порівняно з Zmp + Nmn чим легше ядро, тим сильніше зв’язані нуклони в ядрі. Енергія Ej ми маємо забезпечити ядро, якщо хочемо розкласти його на окремі нуклони. Не менш висока енергія Ej виділяється під час синтезу ядра з окремих нуклонів. Вводиться кількість енергії зв'язку на нуклон εj = Ej/A, чим вища енергія зв'язку εj, тим складніше розділити дане ядро на окремі нуклони.
На графіку ми бачимо енергію зв’язку на нуклон в ядрах з різним числом нуклонів А. Деякі ядра дуже стабільні. Різні значення енергії зв’язку на нуклон для різних ядер пояснюють процеси, за допомогою яких виділяється частина внутрішньої енергії ядер. Такі процеси відбуваються всередині зірок, де енергія виділяється шляхом синтезу легших ядер у важчі. Ядра з меншою енергією зв’язку змінюються на ядра з більшою енергією зв’язку, і різниця енергій звільняється. В ядерних реакторах ядра важкого урану розбиваються на більш легкі, ядра з меншим значенням енергії зв'язку на нуклон переносяться в ядра з більшим значенням енергії зв'язку, і різниця в енергіях зв'язку вивільняється.
Величезні значення εj вказують на величину ядерних сил, які пов'язують нуклони в ядрі, незважаючи на сильне електростатичне відштовхування позитивно заряджених протонів. Привабливі ядерні сили, що діють між двома нуклонами, мають невеликий діапазон, близько 10-15 м.
Вивчення ядерних сил є одним із складних завдань ядерної фізики. В теорії атомних ядер ми також повинні враховувати, що нуклони є мікрочастинками і поводяться відповідно до законів квантової фізики. Процеси, що відбуваються в атомному ядрі, часто можуть характеризуватися лише певною ймовірністю.
У багатьох ядерних процесах змінюється склад частинок ядер. Є дві події: синтез легких ядер (А 56, зазвичай А> 200).
Під час цих реакцій виділяється енергія. Тут символ Er позначає енергію, яка повинна подаватися, щоб відбулася реакція. Якщо енергія негативна, вона виділяється в реакції. У реакціях енергія, що виділяється, проявляється таким чином, що продукти реакції матимуть вищу кінетичну енергію, ніж ядра, що вступили в реакцію.
Для того, щоб відбувся синтез ядер, необхідно, щоб позитивно заряджені ядра, що вступають у реакцію, наближались одне до одного на відстані, приблизно рівній діапазону ядерних сил. Щоб подолати електростатичне відштовхування ядер, частинкам потрібно багато енергії, кілька МеВ. Вони можуть отримати необхідну енергію, наприклад, у гарячому газі. Тоді ми говоримо про термоядерний синтез. Керована термоядерна реакція є перспективним джерелом енергії. Досі не вдалося досягти досить високої температури та щільності плазми. Експерименти проводяться в установках під назвою Токамак. Магнітне поле стискає плазму всередині судини у вузький промінь і відсуває її від стінок. Це пояснюється тим, що кожна посудина плавиться і випаровується при контакті з гарячою плазмою.
На малюнку показана спрощена схема токамакської, 1-металевої кільцевої посудини, 2-плазмового, 3-жильного електромагніта, імпульс струму в обмотці виробляє електричний струм у плазмі вздовж окружності кільця та магнітне поле цього струм віддаляє плазму від стінок судин.
Після відкриття нейтрона фізики зрозуміли, що нейтрон, який не мав електричного заряду, не буде відштовхуватися від ядра і, отже, може бути ефективним у викликанні ядерних реакцій.
Перетворення ядер, викликані впливом нейтронів, почав вивчати Фермі. У цих експериментах він виявив, що коли він поміщав ємність з водою або парафіном між джерелом нейтронів та опроміненим зразком, радіоактивність зразка зростала. Проходячи через воду або парафін, нейтрони передають частину своєї енергії легким ядрам речовини і сповільнюються. Індукуючи ядерні реакції, ці повільні нейтрони ефективніші за вихідні нейтрони. Ці знання використовувались при будівництві ядерних реакторів.
При стрільбі з ядер урану ядра урану розпадаються на два ядра середньої важкості.
це нестійкі ядра, які згодом розпадаються пізніше. Існує кілька кінцевих станів даної реакції, але вони мають дві спільні властивості: У кожній реакції виділяється близько 200 МеВ, з них близько 80% як кінетична енергія ядер і нейтронів у кінцевому стані, а в більшості реакцій нейтрони формується знову. Отже, поділ ядер урану є джерелом величезної енергії.
Ця енергія використовувалася у галузі озброєння, а також на атомних електростанціях.
1) Поясніть втрату ваги серцевини.
2) Що таке ядерний синтез?
3) Які реакції поділу?
Вкладене зображення:
підручник Фізика для 4 курсу гімназії, Дж. Пішут та ін.
Список літератури:
Й. Пішут та ін. - фізика для 4 курсу гімназії