Шпаргалка по "Физике"

 

Удельная  энергия связи равна энергии, которую необходимо затратить. чтобы удалить из ядра 1 нуклон. Вычисление dЕ проведены для всех химических элементов. Зависимость удельной энергии связи от массового числа можно представить в виде графика, приведенного на рисунке.

 

 

Из  графика зависимости удельной энергии  связи от массового числа А видно, что:  

• у ядер с массовым числом  40<А<100 удельная энергия связи максимальна;
• у ядер с массовыми числами А>100 удельная энергия связи с ростом А плавно убывает;
• у ядер с массовыми числами А<40 с уменьшением А удельная энергия связи скачкообразно убывает.

 

 

На  основании этого анализа сделан вывод о том, что практически  можно осуществить два способа  высвобождения внутриядерной энергии:

• деление тяжелых ядер (цепная реакция)
• синтез легких ядер (термоядерная реакция).

 

29. Дефект масс.

Дефект  массы — разность между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро данного нуклида, и массой покоя атомного ядра этого нуклида, выраженная в атомных единицах массы. Обозначается обычно .

Согласно  соотношению Эйнштейна, энергия  связи пропорциональна дефекту  массы:

 

Где   — дефект массы и с — скорость света в вакууме.

 

Дефект  массы характеризует устойчивость ядра.

 

Дефект  массы, отнесённый к одному нуклону, называется упаковочным множителем.

30. Радиоактивный распад.

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

 

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, например индия, калия или кальция, одни природные изотопы стабильны, другие же радиоактивны).

 

• Естественная  радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся  в природе.

 

• Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным  путем через соответствующие  ядерные реакции.

 

Энергетические  спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

 

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

 

В настоящее  время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или -распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

 

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с  вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством  альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

 

Образовавшееся  в результате радиоактивного распада  дочернее ядро иногда оказывается также  радиоактивным и через некоторое  время тоже распадается. Процесс  радиоактивного распада будет происходить  до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а  последовательность возникающих при  этом нуклидов называется радиоактивным  рядом. В частности, для радиоактивных  рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

 

31. Период полураспада.

Пери́од полураспа́да квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время T_½, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода полураспада количество выживших частиц уменьшится в среднем в 2 раза. Термин применим только к экспоненциально распадающимся системам.

 

Не  следует считать, что за два периода  полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку  каждый период полураспада уменьшает  число выживших частиц вдвое, за время 2T½ останется четверть от начального числа частиц, за 3T½ — одна восьмая  и т. д. Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом:

Период  полураспада, среднее время жизни   и константа распада связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада:

Поскольку , период полураспада примерно на 30,7 % короче, чем среднее время жизни.

 

На  практике период полураспада определяют, измеряя активность исследуемого препарата  через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата  пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада, можно  вычислить период полураспада данного  вещества.

32. Цепные ядерные реакции.

Цепная ядерная  реакция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Цепные  реакции

 

Цепные  реакции широко распространены среди  химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями  выполняют свободные атомы или  радикалы. Механизм цепной реакции  при ядерных превращениях могут  обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при  поглощении. Появление в среде  необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая  продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы  без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.

 

Если  в каждом акте реакции или в  некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает  разветвленная цепная реакция, ибо  одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые  цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют  процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает  специфические для разветвленных  цепных реакций предельные или критические  явления. Если число обрывов цепей  больше, чем число появляющихся новых  цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.

 

Область состояний вещества с развитием  цепной самоподдерживающейся реакции  отделена от области, где цепная реакция  вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется  равенством между числом новых цепей  и числом обрывов.

 

33. Ядерный реактор.

Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми.

Превращение вещества сопровождается выделением свободной  энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии  с энергией покоя большей, чем  в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

 

Если  иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 107 K из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

 

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры  среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения  реакций необходимы сами частицы. И  если опять иметь в виду не отдельный  акт реакции, а получение энергии  в макроскопических масштабах, то это  возможно лишь при возникновении  цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются, как продукты экзоэнергетической реакции.

 

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах

1 —  Управляющий стержень;

2 —  Радиационная защита;

3 —  Теплоизоляция;

4 —  Замедлитель;

5 —  Ядерное топливо;

6 —  Теплоноситель.

Конструкция

 

Любой ядерный реактор состоит из следующих  частей:

Активная  зона с ядерным топливом и замедлителем;

Отражатель  нейтронов, окружающий активную зону;

Теплоноситель;

Система регулирования цепной реакции, в  том числе аварийная защита;

Радиационная  защита;

Система дистанционного управления.