Билет № 25

Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваются нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положитель­ным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз боль­ше массы электрона. Нейтрон — злектрически нейтральная частица с мас­сой примерно равной 1839 масс электрона.

Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу элек­тронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем же симво­лом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, ), из которых верхний обозначает массовое, а нижний зарядовое число.

Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий (), дейтерий () и тритий (). У кислорода встречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химическо­го элемента обладают почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)

Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле м.

Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы при­тяжения, превосходящие силы электростатического отталкивания прото­нов. Их назвали ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:

1)   Они являются только силами притяжения и значительно сильнее электростатического отталкивания протонов.

2)   Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё дейст­вуют ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно м.

3)   Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы

4)   для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может быть проведено и энергетическими методами.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро — это значит разорвать связи между его ну­клонами. для разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на состав­ляющие его нуклоны, необходимо затратить определённую энергию, на­зываемую энергией связи ядра.

Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых образуется ядро, равна , Согласно специальной теории относительности, ей соответствует энергия , рассчитываемая по формуле , где с — скорость света в вакууме. После образования ядро об­ладает энергией . Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих масс называют де­фектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделение энергии . Из закона сохранения энергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расще­пление ядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи  равна . Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой  И из N = А -  Z нейтронов с массой , то дефект массы равен

C учетом этого энергия связи находится по формуле:

Об устойчивости ядер судят по средней энергии  связи, приходя­щейся на один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна

На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массово­го числа А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих середину таблицы

Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1 МэВ 1,6*1О-13Дж). В то же время ну­клоны самых лёгких и самых тяжёлых эле­ментов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер, распо­ложенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана), приблизительно составляет 7,6 МэВ.

Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энер­гии. Из общих соображений ясно, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реак­ции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это условие мо­жет быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлых ядер на бо­лее лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. На­пример, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода — дейтерия , имеющих удельные энергии связи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого  = 7,05 МэВ, выделяется энергия  7,05-1,11=6,94 Мэв.

Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происхо­дит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные осо­бенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

       Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики по­няли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно исполь­зовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные де­ления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходит­ся решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

а)    Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природ­ном уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе соз­дания атомной бомбы и реакторов.

б)   Оказалось, что ядра урана де­лятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые ней­троны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

в)    Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из мас­сы урана, не успев вызвать дальней­шее деление. Поэтому для того, что­бы цепная реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сбли­зить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает ин­тенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное обла­ко, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправ­ляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, ис­пользуемых на атомных электростанциях (АЭС).

Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходит не­управляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том,  что создаются условия, когда на каж­дый процесс деления ядра урана-235 или плутония приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт деления, другие же обра­зовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом, скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электро­станции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего ис­пользуются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вво­дят в активную зону реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не идёт. При выведении стержней увеличивает­ся число нейтронов в реакторе и начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что для получения самопод­держивающейся цепной реакции, как и  в атомной бомбе, масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая реакто­ром (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий), циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается на­сосом (б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, пре­вращая её в пар, который вращает паровую  турбину (8). Турбина соедине­на с электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паро­вой турбины пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая поступает в теплообменник.  Охлаждение пара в конденса­торе осуществляется водой из искусственно созданного водоёма (11)..

5. Условия термоядерной реакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия D () при слиянии образуют ядро гелия . Расчёты по­казывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: Для того чтобы произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагреть вещество до температуры 107 К. В водородной бомбе, в которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию: энергия вы­деляется в огромном количестве в одно мгновение и е~ можно использо­вать только для разрушения. Однако человечеству необходима управляе­мая термоядерная реакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь) ограничены.

Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывает­ся какдля реакции  для реакции , где n — концентрация частиц, т.е. число частиц в од­ном см3,i— время их удержания вместе в секундах. Эти соотношения от­ражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомя­нутой высокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов гра­дусов) в течение определённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и трития более выгод­на, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.

Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникает особое состояние вещества — плазма. Высокотемпературная плазма представ­ляет собой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны суще­ствуют независимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень вели­ка, благодаря чему плазма является хорошим проводником.

Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реак­ции нужно создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией, стре­мятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предпо­ложили два пути решения этой задачи. Первый путь заключается в удер­жании плазмы с помощью магнитного поля. Если на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный шнур. Заряженные части­цы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать спиральные тра­ектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образо­вания шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установ­ках, получивших название токамак, разработанных в СССР. В этих уста­новках удалось разогреть плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока не удаётся удержать плазму дли­тельное время, но исследования в этом направлении продолжаются. Вто­рое направление — это создание управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму маг­нитного поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9