Embed Size (px)
Citation preview
Блок № 13. Ядерная физика.
Лекции: 1. Естественная радиоактивность. Альфа, бета и гамма лучи. Альфа и бета распад. Период
полураспада. 2. Ядерные реакции. Ядерные силы. Энергия связи. 3. Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция. Управляемая и неуправляемая ядерная
реакция. Ядерный реактор. Биологическое действие радиации. Лекция 13.1 13.1.1 Открытие радиоактивности. В 1898 г Анри Беккерель случайно обнаружил, что соли урана испускают неизвестные доселе
лучи. Эти лучи обладали очень высокой проникающей способностью (даже большей, чем рентгеновское излучение), были способны засвечивать фотопластинку и ионизировать воздух. Главной особенностью вновь открытого излучения была его высокая стабильность. Урановый образец не изменял интенсивности излучения в течении всего времени наблюдения. Это говорило об огромном запасе энергии находящемся внутри атомов связанных с этим видом излучений. Новое свойство веществ было названо радиоактивностью.
Узнав о открытии Беккереля Пьер и Мария Кюри начали искать другие химические радиоактивные химические элементы. Им удалось обнаружить еще один радиоактивный элемент – торий. А, затем, в руде урана и тория они обнаружили новый элемент таблицы Менделеева, также радиоактивный. Элемент был назван Полоний.
Кюри заметили, что все радиоактивные элементы встречаются в одних и тех же рудах. Когда Кюри сравнили радиоактивность всех открытых элементов с радиоактивностью руды, последняя оказалась существенно выше, это значило, что в руде находился еще один неизвестный элемент, обладающий огромной радиоактивностью, и очень малой концентрацией.
Напряженная работа увенчалась открытием еще одного радиоактивного элемента – радия. Радий был в 10 000 раз более радиоактивен, чем уран.
13.1.2 Альфа, бета, и гамма излучения. Большая часть открытий в области ядерной физики первой четверти 20 века была совершена в
лаборатории Резерфорда в Англии. Здесь была выяснена природа радиоактивного излучения. Если пучок радиоактивных лучей поместить в сильное магнитное поле, линии магнитной
индукции которого перпендикулярны направлению распространения пучка, то пучок разделится на три составляющие. Одна часть отклонится в одну сторону (куда должны отклоняться положительные частицы) – ее назвали альфа излучением. Другая часть отклонится в противоположную сторону (отклонение отрицательных частиц) – бета излучение. Третья часть не откланяется и проходит прямо – это гамма излучение.
В лаборатории Резерфорда было выяснено, что альфа-‐излучение -‐ это поток ядер гелия (альфа-‐частиц), бета-‐излучение – это быстро летящие электроны, а гамма-‐излучение – очень высокочастотное электромагнитное излучение.
Три компоненты излучения обладали совершенно разной проникающей способностью: Альфа-‐излучение задерживалось листом бумаги. Бета-‐излучение было способно пройти через несколько миллиметров металла. Гамма излучения лишь частично могло быть ослаблено несколькими сантиметрами металлов
(более эффективно поглощают гамма-‐излучения тяжелые металлы). В лаборатории Резерфорда было установлено, что в центре атома находится очень плотное и
маленькое ядро и процессы, связанные с радиоактивным излучением происходят внутри этого ядра, поэтому раздел физики, изучающий радиоактивность назвали ядерной физикой.
Оказалось, что радиоактивность элементов связана с процессами распада, проходящими внутри ядра. Возможно два вида распадов: альфа-‐распад и бета-‐распад.
В случае альфа распада ядро атома выбрасывает из себя ядро гелия (порядковый номер 2, атомная масса 4) в результате превращается в ядро элемента, порядковый номер которого на 2 меньше, а масса меньше на 4.
𝑋!! → 𝑌 + 𝐻𝑒!
!!!!!!!
В случае бета-‐распада ядро атома выбрасывает из себя электрон, в результате превращается в ядро элемента с порядковым номером на единицу больше, и такой же массой.
𝑋!! → 𝑌 + 𝑒!!
!!!!!
Гамма излучение сопровождает как гама, так и бета-‐распад. 13.1.3 Период полураспада.
Оказалось, что распад радиоактивного атома происходит случайным образом. Предсказать его невозможно. Возможно, лишь вычислить его вероятность. Было выясненное, что радиоактивные
атомы как бы, не стареют: вероятность распасться прямо сейчас, у любого радиоактивного атома такая же как распасться через 1000 лет.
Для описания скорости распада введено понятие периода полураспада. Период полураспада – это время, за которое распадается половина всех радиоактивных ядер. Обратите внимание, что за два периода полураспада распадется 1/2*1/2=1/4 всех атомов. Период полураспада различных радиоактивных элементов сильно различается (см. таблицу)
элемент Период полураспада
Уран 5 млрд. лет Торий (232) 14 млрд. лет Торий (228) 2 года Радий 1600 лет Полоний (210) 138 суток
Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадается вещество, тем оно более радиоактивно. Лекция 13.2
13.2.1 Строение атомного ядра. Ядерные силы. К 30 годам 20 века сложилась общая картина строения атомного ядра. Ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов (вместе они называются
нуклонами). Количество протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Количество нейтронов равно атомной массе элемента – порядковый номер. Один и тот же элемент может иметь разное количество нейтронов. Такие элементы называются изотопы. Например ядро водорода может не содержать ни одного нейтрона (тогда это водород), один нейтрон (тогда это дейтерий) или два нейтрона (тогда это тритий).
Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра ядерными силами. Ядерные силы на два порядка больше электрических и являются самыми мощными из известных сил в природе. Особенность ядерных сил состоит в том, что они действуют только на очень маленьких расстояниях. Соседние нуклоны крепко связаны ядерными силами, но уже на расстоянии равным нуклону – ядерные силы практически не действуют, т.е при помощи ядерных сил взаимодействуют только ближайшие протоны и нейтроны.
К 30 годам было открыто несколько видов ядерных превращений. Все ни сводятся к следующему принципу: если два ядра находятся на достаточно большом расстоянии, между ними действуют силы электрического отталкивания (так как все ядра заряжены положительно), но если ядра сблизить на расстояние, когда «включаться» ядерные силы – ядра сольются.
Оказалось также, что у тяжелых ядер протонов в ядре становится настолько много, что их суммарная сила отталкивания начинает перевешивать силу ядерного притяжения. Такие ядра имеют тенденцию к уменьшению за счет распада.
13.2.2 Виды ядерных реакций. Итак, были обнаружены следующие виды ядерных реакций: 1. Альфа и бета-‐ распады. a. Альфа-‐распад происходит для всех элементов стоящих в таблице Менделеева после свинца.
В случае альфа распада ядро тяжелого элемента старается избавиться от лишнего заряда, чтобы уменьшить действие сил электрического отталкивания.
b. Бета-‐распад происходит для всех элементов, у которых большее количество нейтронов, чем положено для данного элемента. (Общий принцип: у легких элементов приблизительно одно количество протонов и нейтронов, у тяжелых элементов – протонов в 2 раза меньше).
Суть бета-‐распада состоит в том, что нейтрон в свободном виде является нестабильной частицей, которая может распадаться на протон, нейтрон и антинейтрино. В связанном состоянии (внутри ядра) нейтрон распадается, только если это становится энергетически выгодно.
2. Ядерные реакции, сопровождающие столкновения ядер. При таких реакциях обычно используют ядро легкого элемента (главным образом ядра водорода или ядра гелия) разогнанное до очень большой скорости (достаточной, чтобы преодолеть силы кулоновского отталкивания при столкновении с другим ядром). В результате такой реакции могут получаться более тяжелые ядра и, иногда другие легкие ядра и нейтроны.
Общий принцип здесь состоит в следующем: при реакции должен выполняться закон сохранения массы и заряда:
Например: 𝑁 +!
!" 𝐻𝑒 →!! 𝑂!!" + 𝐻!!
Обратите внимание, что закон сохранения массы состоит в том, что сумма верхних индексов слева, равна сумме верхних индексов справа, а закон сохранения заряда – в том, что такое же правило выполняется для нижних индексов.
3. Столкновения нейтронов с ядрами. Особенностью этой реакции является то, что нейтрон не обладает зарядом, поэтому для присоединения к ядру ему не требуется преодолевать силы кулоновского отталкивания, достаточно просто оказаться вблизи ядра, чтобы включились ядерные силы.
4. Деление ядер урана и плутония. Об этой реакции будет рассказано позднее. 13.2.3 Энергия связи ядер. Как уже говорилось выше, все нуклоны в ядре крепко связаны друг с другом ядерными силами.
Для того чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны необходимо затратить определенную энергию. Эта энергия называется энергия связи. Эту энергию можно рассчитать, используя формулу Эйнштейна, связывающую полную энергию тела и его массу.
E=mc2 Если взять массу ядра и сравнить ее с суммарной массой протонов и нейтронов, составляющих
ядро, то последняя окажется больше – часть энергии нуклонов выделяется при объединении в ядро, а это значит, что и масса ядра становится меньше.
Разница между суммарной массой нуклонов ядра и массой самого ядра называется дефектом
масс. Энергия связи ядра равна дефект масс, умноженный на скорость света в квадрате.
На рисунке представлена удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон ядра) для различных ядер. Как видно из рисунка с ростом порядкового номера элемента увеличивается энергия связи (чем прочнее ядро, тем больше энергия связи). Для тяжелых ядер (с порядковым номером больше чем у железа) прочность ядра уменьшается, и энергия связи также становится меньше.
Ядерные реакции могут проходить с выделением и
поглощением энергии. Для того, чтобы понять выделяется ли или поглощается при
ядерной реакции энергия нужно сравнить суммарную массу элементов до реакции и после реакции и найти дефект масс. Если
дефект масс положительный (масса уменьшается) – энергия выделяется (она равна дефекту масс умноженному на с2), если дефект масс отрицательный, то реакция идет с поглощением энергии. Лекция 13.3.3 13.3.1 Деление ядер урана. В середине 30 г особое внимание ученых-‐ядерщиков занимали ядерные реакции с нейтронами, потому, что благодаря своей способности проникновения внутрь любых ядер они открывали широкие возможности, особенно при изучении тяжелых ядер. В результате этих исследований был обнаружен совершенно новый тип реакций. Оказалось что нейтрон, попадая в ядро урана иногда способен расколоть его на две приблизительно равные по массе половинки, при этом выделяется 2-‐3 нейтрона и огромная энергия, порядка 200 МэВ. Долгое время, несмотря на наличие экспериментальных доказательств, ученые не верили в возможность такой реакции: деление ядра пополам считался очень энергетически затратным процессом, значительно проще тяжелым ядрам было испускать легкие альфа-‐частицы. В конце
концов, была построена теория подобного распада и получено ее бесспорное экспериментальное подтверждение. Наличие реакции деления, вызываемой нейтронами, при которой в результате выделяет новый нейтрон, открывала новые перспективы для энергетики. Ведь если создать условия для такой реакции, первый нейтрон вызовет распад одного ядра урана, после этого будет иметься уже 3 нейтрона, которые могут вызвать распад 3 ядер урана, в результате образуется 9 нейтронов, потом 27 и т.д. Количество нейтронов будет лавинообразно нарастать. Такой процесс называется цепной реакцией.
Чтобы цепная реакция пошла, количество нейтронов после процесса распада должно быть хотя бы немного больше количества нейтронов до начала распада. Отношение этих величин называется коэффициентом размножения. Итак, цепная реакция идет, если коэффициент умножения больше единицы.
При дальнейших исследованиях было выяснено, что существует 2 основных изотопа урана: уран 235 и уран 238. Причем в природном виде в смеси изотопов уран 238 составляет 98%. Оказалось, что уран 238 делится только быстрыми нейтронами и только в 1 из 3 случаев. Легко понять, что цепная реакция на уране 238 невозможна.
Уран 235 легко делился при попадании нейтрона, причем эффективность процесса увеличивалась, если нейтрон двигался медленно. 13.3.2 Факторы, влияющие на коэффициент размножения.
1. Очевидно, что коэффициент умножения зависит от соотношения между изотопами 235 и 238. Чем больше в смеси урана 235, тем больше коэффициент.
2. Наличие любых примесей в уране уменьшает коэффициент, потому, что эти примеси поглощают часть нейтронов. Особенно эффективно поглощает нейтроны кадмий.
3. Наличие веществ, которые способны замедлять быстрые нейтроны, получающиеся после распада, увеличивает вероятность взаимодействия нейтрона с ураном 235, а, значит, увеличивают величину коэффициент. Наиболее эффективно замедляют нейтроны вода и графит.
4. Соотношение между объемом занимаемым ураном и площадью его поверхностью (какая часть урана находится внутри). Часть нейтронов покидают зону реакции. Чем больше отношение площади поверхности к объему урана, тем больше нейтронов покидают зону реакции, тем меньше коэффициент умножения.
Таким образом, для создания условия цепной ядерной реакции необходимо подобрать факторы влияющие на коэффициент так, чтобы он был больше или равен единице. 13.3.3 Управляемая и неуправляемая реакции. Если коэффициент больше единицы, практически весь уран распадается в очень короткое время. Выделяется огромная энергия. Именно этот процесс происходит при взрыве атомной бомбы. Оказалось, что если коэффициент умножения равен единице, реакция выделения тепла идет, хотя и достаточно интенсивно, но может поддаваться контролю. Именно в таком режиме работает атомная станция. Атомная бомба. Атомная бомба состоит из чистого урана 235 или плутония (еще одного элемента способного делится под действием медленных нейтронов). Основные потери нейтронов в этом случае происходят за счет вылета нейтронов из зоны реакции. Для уменьшения потерь ядерный заряд делают шарообразной
формы. При увеличении радиуса шара уменьшается отношение площади поверхности шара к его объему, а значит увеличивается коэффициент умножения нейтронов. Масса, при которой шар достигает критических размеров, при которых коэффициент становится больше 1, называется критической массой. Атомная бомба представляет две половинки шара общей массой большей критической. В момент соединения половинок коэффицент умножения становится больше единицы и происходит взрыв.
1-‐ половинки критической массы, 3-‐ обычная взрывчатка, соединяющая половинки. Атомный реактор. В атомном реакторе используется обогащенная смесь урана 235 и 238. Количество урана 235 увеличивается до 5-‐10%. Для того чтобы в такой смеси достичь условий поддержания цепной реакции, масса урана берется значительно больше. Так же, чтобы увеличить вероятность распада урана 235, слои с ураном перемежают слоями графита, который замедляет нейтроны. Для регулирования скорости реакции в зону реактора вводят стержни из кадмия (замедляют скорость реакции, поглощая нейтроны) и стержни из графита (ускоряют реакцию, дополнительно замедляя нейтроны).
В зоне реактора выделяется огромное количество тепловой энергии. Для отвода и использования этой энергии через зону реактора пропускают трубы с водой, или другим веществом способным переносить тепло. Отведенное таким образом тепло используют для получения пара вращающего турбину электрического генератора. Таким образом, энергия ядерного распада превращается в электрическую энергию.
Задания для самостоятельного выполнения. 13.1 Радиоактивность. Распады. Период полураспада.
1. Как можно обнаружить радиоактивный источник (выберите правильные варианты)? a. Радиоактивный источник способен вызвать почернение фотопластины, даже если она
завернута в непрозрачную для света обертку. b. Радиоактивный источник способен вызвать фотоэффект. c. Радиоактивный источник способен ионизовать воздух. d. При помощи радиоактивного источника можно создавать положительный или
отрицательный заряд. 2. Урановая руда помещена в железную коробку, со стенками толщиной 5 см. Какой вид
излучения будет проникать из коробки наружу? Подчеркните правильный вариант: альфа/ бета/гамма/никакое.
3. Напишите реакцию альфа распада урана (атомная масса 238)
4. Напишите реакцию бета распада урана (атомная масса 239)
5. Используя факты, что альфа-‐распад идет для любых элементов таблицы Менделеева с порядковым номером больше чем у свинца, а бета-‐распад идет у элементов, у которых масса больше чем та, которая указана в таблице Менделеева, попробуйте догадаться, как можно получить из урана атомной массой 238 торий (Th), полоний (Po) и радий (Ra). Напишите цепочки ядерных реакций.
6. Как получить из урана массой 239 плутоний? Напишите цепочки ядерных реакций.
7. Как объяснить, что в урановых рудах всегда встречаются торий, полоний и радий?
8. Какие из вышеперечисленных радиоактивных элементов существуют с момента образования земли (4,5 млрд. лет назад). ПодчеркнитеU/228Th/Po/Ra
9. Сделайте предположение, почему на земле в естественном состоянии не существует элементов тяжелее урана.
10. Период полураспада углерода массой 14 (он бета радиоактивен) составляет 5700лет. Имеется 10 г этого вещества. Сколько углерода останется через:
a. 3000 лет?________________________ b. 6000 лет_________________________ c. 12000 лет________________________
11. Концентрация углерода 14 в атмосфере (а значит и в живых организмах, которые усваивают этот углерод) составляет 10-‐10%, а концентрация углерода 14 в древнем ископаемом дереве составляет 2,5 10-‐11 %.Сколько лет назад дерево было срублено? Насколько данный способ достоверен? Что может исказить точность расчетов
12. В магматических горных породах имеется определенная доля примеси урана. Если пород не подвергалась эрозии, то продукты распада урана остаются рядом с ним (в толще горной породы). Можно ли этот факт использовать для датировки времени образования горных пород?
13.2 Состав ядра. Ядерные реакции. 1. Какое количество протонов, нейтронов и электронов находится в 87Sr, 27Al, 235U, 226Ra. 2. Почему Резерфорд не принимал всерьез свою модель атома:
a. Экспериментальные данные не были проверены. b. По классической теории электрон не мог находиться на стационарной орбите,
вращаясь вокруг атома. c. Модель слишком грубо описывала атомные процессы.
3. Свяжите элементы из правого и левого столбца. Вид сил Роль в ядре
1. Ядерные силы Понятие не применяется для ядер. 2. Кулоновские силы Не играют существенной роли. 3. Гравитационные силы
Силы, стремящиеся разорвать ядро. Силы, благодаря которым ядра отталкиваются.
4. Силы трения Главные связывающие силы в ядре 4. Какие из элементов являются альфа и бета радиоактивными. Поставьте рядом с альфа-‐
радиоактивным элементом букву «а», а, с бета радиоактивным букву –«б», если вещество не радиоактивно поставьте букву – «н». 210At 95Zr 32S 91Zr 14C 247Cm
5. Допишите недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях. 𝐴𝑙!"
!" + 𝑛!! →?+ 𝐻𝑒 𝑀𝑛+?→ 𝐹𝑒 + 𝑛!!!"!!
!"!!
!!
?+ 𝐻!! → 𝑁𝑎!!
!! + 𝐻𝑒 𝐴𝑙 + 𝛾 → 𝑀𝑔+?!"!"
!"!"
!!
6. При облучении изотопа меди 63Cu протонами реакция может идти несколькими путями: с выделением одного нейтрона, с выделением двух нейтронов, с выделением протона и нейтрона. Ядра каких элементов получаются в этих случаях?
7. В чем опасность попадания внутрь человеческого организма радиоактивной пыли? ________________________________________________ Какие виды излучения будет в этом случае дополнительно воздействовать на внутренние органы?______________________________________
8. Мишени из железа, меди и лития обстреливают очень быстро летящими протонами. Для какой из мишеней реакция синтеза новых ядер пойдет при меньшей скорости протонов? Подчеркните этот элемент.
9. При попадании нейтрона в 238U и двух последовательных распадов, уран превращается в плутоний. Напишите ядерные реакции.
10. При соединении дейтерия и трития синтезируется гелий. a. Что еще при этом выделяется?__________________ b. Как добиться, чтобы ядра соединились? Что нужно сделать?_____________________
_ _______________________________________________________________________________________________________________________
11. Имеется радиоактивные вещества X с периодом полураспада 100 лет.; Y с периодом полураспада 500 лет и Z с периодом полураспада 6 месяцев. Какое из указанных веществ наиболее радиоактивно?
13.3 Энергия связи. 1. Нарисуйте ядро дейтерия, гелия, 7Li. Обозначьте связи между нуклонами линиями. Сколько связей в каждом ядре. Сколько связей приходится на 1 нуклон. Какое ядро самое прочное?
элемент Связей в атоме Связей на нуклон Дейтерий Гелий 7Li
2. Рассмотрите график зависимости удельной энергии связи от порядкового номера элемента. Определите, какая энергия связи приходится на:
a. 1 нуклон в литии b. 1 нуклон в железе c. 1 нуклон в уране d. все ядро гелия e. все ядро железа
3. Сколько приблизительно энергии выделится при делении урана на две приблизительно равные половинки?
4. Определите дефект масс и энергию ядерных реакций: 𝑁 + 𝐻𝑒 → 𝑂!!" + 𝐻!!!
!7
!" 𝐿𝑖 + 𝐻!! → 𝐻𝑒 +!
!!! 𝐻𝑒!
!
𝐿𝑖 + 𝐻!!!! → 𝐵𝑒 + 𝑛!!!
!
5. Термоядерная реакция состоит в том, что более легкие ядра объединяются в более тяжелые элементы.
a. Можно ли получать энергию, соединяя углерод и гелий и получая кислород?_________ b. Можно ли получать энергию, соединяя два ядра кислорода в ядро серы?_________ c. Можно ли получать энергию, соединяя два ядра палладия в ядро урана?_________
6. Обычно реакция, описанная в задаче 5, идет при высокой температуре. В каком случае a, b, c необходима большая температура? Подчеркните нужную букву.
7. Известно, что термоядерная реакция превращения водорода в гелий идет на солнце и других звездах. Если звезда не слишком велика (размером как солнце), после того, как прогорел весь водород, реакция прекращается, и звезда начинает остывать. Если же звезда массивнее солнца, после прогорания всего водорода, начинается термоядерная реакция синтеза гелия в более тяжелые ядра? Как этот процесс связан с массой звезды?
8. Какая масса больше (подчеркните): a. Ядро урана или суммарная масса альфа частицы и оставшегося после этого ядра? b. Нейтрона или суммарная масса протона и электрона? c. Масса 2 протонов и 2 нейтронов или масса гелия? d. Масса углерода 12 и нейтрона и масса углерода 13?
9. Нарисуйте схематично легкое и тяжелое ядро. Попытайтесь на своей схеме отразить разный вклад в прочность ядра ядерных сил и сил кулоновского отталкивания. Отразите факт, что тяжелое
ядро менее прочно. 10. На графике представлена зависимость концентрации двух радиоактивных
веществ в воздухе от времени. Какое вещество более опасно при начале измерения? _______________________________________
Какое вещество более опасно через 2 ч после начала измерения?___________________________________
n
t, ч 2 4 6
13.4 Деление ядер урана. Коэффициент умножения. Цепная ядерная реакция. 1. В таблице представлено расчетное количество нейтронов до и после распада. Определите средний коэффициент размножения нейтронов: Начальное количество
1 распад 2 распад 3 распад
590 650 715 787 2. В каком случае коэффициент размножения будет больше (подчеркните): образец из урана 235 или образец из урана 238 Образец из урана 235 в форме шара
или Образец из урана 235 в форме листа
Образец урана 235 в форме цельной таблетки
или Образец урана 235 в виде таблетки состоящей из слоев урана и графита
Сухая урановая руда или Мокрая урановая руда 3. Как сделать атомную бомбу повышенной мощности? Нарисуйте схему?
4. Как разделить уран 235 и уран 238? На рисунках изображено несколько существующих способов: разделение за счет
a. центробежной силы b. магнитного поля c. диффузии газов в узких каналах
Какая картинка к какому случаю относится? В чем суть: напишите несколькими словами.
5. Почему плутоний получить проще, чем уран 235? Нарисуйте схематически этот процесс (каждый этап процесса это определенный элемент схемы).
6. Почему страны стремящиеся обладать атомным оружием всегда начинают строить атомные станции?
7. Как вы думаете, что произошло при взрыве Чернобыльского реактора? (что там взорвалось?)______________________________
8. В чем были неправы пожарники, приехавшие тушить взорвавшийся энергоблок Чернобыльской станции?________________________________________
9. Нарисуйте схематично устройство атомной электростанции.
