Ядерная физика

Министерство образования  и науки Республики  Казахстан

 

Костанайский  государственный  университет  им. А.Байтурсынова

 

Кафедра информационных систем

 

 

 

 

 

 

Доклад

на тему «Ядерная физика»

 

 

Дисциплина Физика

Специальность 5B070300 – Информационные системы

 

 

Выполнил:                                     Бондаренко М. В., студент 2 курса

                                                               очной формы обучения, 31 гр.

 

Руководитель:                                 Валентова А.Ю. ст. преподаватель

 

 

 

 

 

                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

Костанай, 2013

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………….	3
1 Элементы  ядерной физики……………………………………………….……………………	4
1.1 Состав и характеристика атомного ядра…………………………...……………	4
1.2 Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер………………………………	6
1.3 Реакция синтеза атомных ядер……………………………………………………….	8
1.4 Радиоактивность. α, β, γ-излучения. ………………………………………………	8
1.5 Правила радиоактивного смещения………………………………………………	10
1.6 Источники радиации. ……………………………………………………………………..	10
1.7 Ядерные силы. Модель ядра. ………………………………………………………..	11
2 Законы сохранения  в ядерных реакциях……………………………………………….	13
2.1 Закон сохранения энергии………………………………………………………………	13
2.2 Закон сохранения импульса……………………………………………………………	14
2.3 Закон сохранения момента импульса…………………………………………….	14
2.4 Другие законы сохранения……………………………………………………………..	15
2.5 Виды ядерных реакций…………………………………………………………………..	15
2.6 Запись ядерных реакций…………………………………………………………………	16
3 Общее устройство  электростанции………………………………………………………..	17
3.1 Основные моменты физики реакторов………………………………………….	18
3.2 Ядерный реактор…………………………………………………………………………….	21
Заключение……………………………………………………………………………………………….	23
Список использованной литературы…………………………………………………………	25

 

 

Введение

Первое явление из области ядерной физики было открыто  в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное  изучение радиоактивных излучений  было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех типов лучей, названных, соответственно, α-, β- и γ-лучами.Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа радиоактивности  была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время предполагалось, что ядро  состоит из  протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к  спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов.

В последние годы вырисовывается шанс описать свойства по крайней  мере лёгких ядер в строгой картине  киральной квантовой теории поля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Элементы  ядерной физики

1.1 Состав и характеристика атомного ядра

Атомное ядро характеризуется  положительным зарядом, величина которого определяется числом электронов в атоме +Ze. Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре. (Например, атом водорода (Z=1) состоит из одного электрона и одного протона). Z определяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и Z также называют атомным номером ядра. Кроме протонов, в состав ядра входят нейтроны (q=0). Частицы, составляющие ядро атома, (т.е. протоны и нейтроны) называются нуклонами. Сумма нейтронов и протонов называется массовым числом – А. Для обозначения ядер применяется символ . Х – химический символ элемента в таблице Менделеева.

Ядро с одинаковыми  Z, но с разными А называются изотопами, например, водород имеет три изотопа, различающиеся числом нейтронов в ядре: 

Протон: масса m_p=1836m_e , спин S=1/2

Т.к. масса электрона m_e=0.511МэВ, то m_p=938,28 МэВ  (Е=mс²)

Нейтрон – m_n=1839m_е = 939,57 МэВ_, спин  S=1/2

В свободном  состоянии нейтрон нестабилен и  самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская при этом в электрон и антинейтрино . Период полураспада нейтрона приближенно равен 12 мин.

Размеры ядра любого химического элемента – шар с радиусом             R =(1,3 1,7)*10^-15A^1/3м. Объем ядра пропорционален числу нуклонов, т.е. плотность ядерного вещества для разных химических элементов одинакова.

     Экспериментальные данные показывают, что большинство ядер имеет массу, меньшую, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра обусловлено тем, что при образовании ядра выделяется энергия. Введем понятие энергии связи ядра – это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разложить данное ядро на составляющие его частицы (протоны и нейтроны). Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, принято называть нуклонами, а их суммарное число в ядре – массовым числом(А). Это же количество энергии должно выделиться при образовании ядра из протонов и нейтронов.

Пусть в ядре содержится Z протонов и N нейтронов, тогда энергия связи, учитывая, что энергия покоя частицы E₀=mc²:

Величина  называется дефектом массы ядра. Это величина прямого физического смысла не имеет, но косвенно характеризует энергию связи ядер и позволяет вычислять энергию связи.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи ядра. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивы ядра, у которых число протонов равно одному из магических чисел (2,8,20,28,50,82,126). Особенно стабильны дважды магические ядра ( ), у которых число протонов и число нейтронов по отдельности магическим числам. Чем больше энергия связи, тем устойчивее ядро.

График зависимости  удельной энергии связи от массового  числа А имеет вид:

 

Наиболее устойчивые ядра с массовыми числами А из середины таблицы Менделеева (от 40 до 80)

Уран μ=240 г/моль           

Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает возможным два процесса:

1. Деление тяжелых ядер на несколько больших ядер
2. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро

Оба процесса должны проходить с выделением огромной энергии. Из графика видно, что существование  ядер с массовым числом 50-60 является энергетически наиболее выгодным. Почему же тогда более тяжелые ядра самопроизвольно не распадаются. Дело в том, что процесс деления тяжелых ядер на несколько больших ядер должен пройти промежуточную стадию, сопровождающуюся поглощением энергии из вне, с последующим её выделением, т.е. нужна внешняя энергия и очень значительная. Без её наличия процесс деления происходить не может. (энергия активации за счет нейтронов – атомная бомба, реакторы). При слиянии легких ядер, например двух ядер водорода в одно ядро выделяется энергия 24 МэВ. [для сравнения, при сжигании угля (химическая реакция: образование С и О углекислого газа) выделяется энергия всего в 5 эВ (!!!)]. Для осуществления реакции синтеза ядер нужны огромные энергии, поскольку ядра необходимо сдвигать на расстояние ~10^-15м, преодолевая кулоновское отталкивание. Это возможно лишь при огромных скоростях движения ядер (Т~10⁸К) и на Земле только один путь – термоядерная реакция.

В 1919 году Резерфордом  была осуществлена первая ядерная реакция:   - доказано получением кислорода в баллоне.

 

1.2 Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер

Делением  ядер называется процесс распада  ядра на несколько частей. Образующиеся при делении части называются «осколками». В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются Ba и La, то есть элементы из середины периодической таблицы Менделеева. 1930 г. Боте и Беккер – получили нейтроны (думали γ-излучение), но в 1932 г. Д.Чэдвик показал, что это не γ-излучение, а поток тяжелых нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами.

Деление может  происходить различными путями, но наиболее вероятным является деление ядра на осколки, массы которых относятся как 2:3. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии, т.к. энергия связи ядер средней массы больше энергии связи тяжелых ядер. При делении ядер освобождаются несколько нейтронов, что позволяет реакции деления ядер продолжаться самостоятельно (цепная реакция). В большинстве случаев осколки являются радиоактивными и претерпевают ряд β-превращений, сопровождающихся γ-излучением.

Медленными (тепловыми) нейтронами делятся  ядра   , а также   (торий),

медленный нейтрон вторичные нейтроны

(протактиний) и  (плутоний). Полученные искусственным путем изотопы ²³³U и ²³⁰Th также делятся тепловыми нейтронами.

Ядра ²³⁸U делятся только быстрыми нейтронами (с энергией не менее 1МэВ).

В природном  уране цепная реакция не возникает, т.к. доля содержания ²³⁵U в нем очень мала (0,72%), а основную массу составляет ²³⁸U(99,27%) и возникающие во время деления ядер ²³⁵U нейтроны просто поглощаются ядрами ²³⁸U без деления ядер. Если же взять кусок чистого ²³⁵U, то цепная реакция возможна лишь для некоторой определенной массы ²³⁵U, называемой критической массой, при достижение которой начинается лавинообразное размножение нейтронов. Это дало возможность сделать атомную бомбу (неуправляемая ядерная реакция). Критическая масса в атомной бомбе разделена на две части и в нужный момент времени пороховым взрывом обе части объединяются в критическую массу, начинается самопроизвольная неуправляемая цепная реакция деления и происходит ядерный взрыв с выделением огромной энергии.

Осуществление управляемой ядерной реакции  привело к созданию ядерных реакторов, в которых скорость ядерной реакции контролируется.

Ядерное горючее  – природный обогащенный ²³⁵U уран. Для снижения скорости нейтронов, что предотвращает их захват ²³⁸U, осуществляется замедление нейтронов графитом, бериллием или дейтерием (ядро тяжелого водорода). Схема урано-графитового реактора:

 

 

1-графит – замедлитель  нейтронов

2-блоки из урана (твелы) – ядерное горючее

3-стержни из кадмия  или бора (хорошо поглощают нейтроны) – управление ядерной реакцией.

Первый ядерный реактор  в Чикагском университете. Ферми  в декабре 1942 г., а Курчатов – декабре 1946 г.

1.3 Реакция синтеза атомных ядер

Реакции синтеза - образование из легких ядер (за счет их слияния) более тяжелых ядер.

Термоядерные реакции  – синтез при  Т~10⁷К

          (Q_выд=17,6 МэВ) – водородная бомба

У водорода 3 изотопа: протий - , дейтерий - ("тяжелый водород,"образует "тяжелую воду"), тритий  -  (радиоактивен).

(Q_выд=22,4 МэВ)

Сверхвысокие  температуры Т~10⁷К нужны для сближения нуклонов, чтобы они объединились в ядро. При взрыве водородной бомбы это осуществляется с помощью предварительного взрыва атомной бомбы

Дейтерия в 1 стакане воды по энергии ~60 л бензина.

Первая искусственная  термоядерная реакция (взрыв водородной бомбы) была осуществлен в СССР (1953 г.) –потом в США.

Термоядерные  реакции, предположительно, являются источником энергии Солнца и звезд.