Типы радиоактивного распада. правила смещения). Закон радиоактивного распада.. Математическое выражение. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Таким образом, энергетически выгодны два способа высвобождения внутренней энергии: деление т

Главная Контакты Случайная статья Автоматизация Антропология Археология Архитектура Биология Ботаника Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Деревообработка Журналистика Зоология Изобретательство Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Косметика Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Материаловедение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыка Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Полиграфия Политология Право Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Электротехника Энергетика
	Типы радиоактивного распада. правила смещения). Закон радиоактивного распада.. Математическое выражение. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Таким образом, энергетически выгодны два способа высвобождения внутренней энергии: деление т ⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2 Типы радиоактивного распада (правила смещения)
Альфа-распад Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием a-частиц, называетсяальфа-распадом. Теория создана Г.А. Гамовым в 1930-32 г. на основе квантово-механического туннельного эффекта.
Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра является образование двух протонов и двух нейтронов. Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия связи, то оно покинет ядро в виде a-частицы.
Если — материнское ядро, то превращение этого ядра при a.-распаде происходит по следующей схеме (правило смещения): где —символ дочернего ядра; —ядро атома гелия ; hv - квант энергии, испускаемой ядром. При альфа-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.	Например:
Бета-распад Теория создана в 1930г. Энрико Ферми. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются согласно гипотезе Ферми в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется: . При β- распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино,	Например:
Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.
Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют α-лучи, в меньшей степени— β-лучи и совсем плохо — γ-лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у α-лучей (лист бумаги; несколько сантиметров слоя воздуха), а β-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ-лучей (например, для алюминия - пластины толщиной десятки сантиметров).

Закон радиоактивного распада.
Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т. е. период полураспада Т данного вещества. Например, для ядра период T=1600 лет. Следовательно, если взять 1г Ra, через 1600 лет его будет 1/2 г, а через 3200 лет— 1/4 г. Таким образом, исходное количество радия должно обратится в нуль спустя бесконечный промежуток времени.
Математическое выражение Пусть число радиоактивных атомов N₀, время t=0. Через t₂=T число нераспавшихся ядер N=N₀/2 Через t₂=2T останетсяN=N₀/2², Через t₃-=3T таких ядер окажетсяN=N₀/2³— и т. д.
Следовательно, в конце промежутка времени t= nT нераспавшихся ядер останется N=N₀/2ⁿ . Так как n=t/T, то . Это закон, которому подчиняется распад большого количества радиоактивных ядер. У радиоактивных элементов Т имеет различную величину, например, имеет период полураспада Т=1,4.10¹⁰ лет, а у криптона период полураспада Т=1,4 с. У искусственно созданных элементов с Z > 100 период полураспада составляет сотые и тысячные доли секунды.
Ядерные силы (сильное или ядерное взаимодействие -т.к. во много раз больше кулоновских сил). Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силамиПервые попытки объяснить - И.Е. Тамм. Теория создана Х. Юкава (1936). Свойства: На расстояниях порядка 10^-13см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении расстояния – отталкиванию. Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости) Одинаковая сила действует и на протон и на нейтрон. Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения). Короткодействующие: быстро убывают, начиная с r ≈ 2,2^.10^-15 м.					Радиус действия	Относит интенсивность.
				Ядерное	10^-15м
				Эл.-маг.	?	1/137
				Слабое	10^-13м
				Гравитационное	?	10^-33
1. На расстояниях порядка 10^-13см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении расстояния – отталкиванию. 2. Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости) Одинаковая сила действует и на протон и на нейтрон. 3. Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения). 4. Короткодействующие: быстро убывают, начиная с r ≈ 2,2^.10^-15 м.
Энергия связи ядра Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи очень велика. При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля.				1эВ=1,6^.10^-19Дж 1 а.е.м.=1,67-10-27 кг
Формула для вычисления энергии связи: - дефект массы.
В атомной физике массу удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м.=1,67-10^-27 кг. Коэффициент связи энергии и массы (равный с²): с²= 931,5 МэВ/аем.				с²= 931,5 МэВ/аем.
Удельная энергия связи Энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, т. е. энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить из ядра один нуклон называется удельной энергией связи; где А — массовое число.
При плавлении льда на 1 молекулу: 0,06 эВ; При парообразовании воды на 1 молекулу: 0,4 эВ; Для разрыва молекулы водорода на атомы: 4,5 эВ; Для ионизации атома водорода: 13,6 эВ; Для отделения нейтрона от ядра дейтерия: 1,1 МэВ.				Электронвольт 1 эВ = 1,6^.10^-19Дж 1МэВ = 1,6^.10^-13Дж
1. У ядер средней части периодической системы Менделеева с массовым числом 40 <= А <= 100 удельная энергия максимальна. Наиболее устойчивы от 50 до 60. 2. У ядер, для которых А>100, удельная энергия связи плавно убывает. 3. У ядер, для которых А<40, удельная энергия скачкообразно убывает. 4. Максимальной удельной энергией обладают ядра, у которых число протонов и нейтронов четное ( ), а минимальной— ядра, у которых число протонов и нейтронов нечетное ( ).
5. Таким образом, энергетически выгодны два способа высвобождения внутренней энергии: деление тяжелых ядер (цепная ядерная реакция) и синтез легких ядер (термоядерная реакция).			График зависимости удельной энергии связи от массового числа:
Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. Символическая запись: А + а ® В + b. При написании ядерных реакций используются з-нысохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).
Примеры: (искусственная радиоактивность, И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934).
Энергетический выход ядерной реакции - разность между суммарной энергией связи частиц, участвующих в реакции и продуктов реакции. Реакции, происходящие с выделением энергии, наз. экзотермическими, с поглощением - эндотермическими.
Изотопы В 1911 г. Ф. Содди предположил, что ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами одного и того же химического элемента. Такие ядра он назвал изотопами. Изотопы имеют одинаковые химические свойства, что обусловлено одинаковым электрическим зарядом ядра, но разные физические свойства, обусловленные массой (числом нейтронов). Обнаруживают при помощи масс-спектрометра.
Получение радиоактивных изотопов
Радиоактивные изотопы получают в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. Первым элементом, созданным искусственным путем, был технеций. Он был получен в 1937 г. при бомбардировке молибдена дейтерием:
Прометий Pm (Z—61), Франции Fr (Z—87), не имеющие стабильных изотопов, впервые получены искусственно. С помощью ядерных реакций получены трансурановые элементы от нептуния Np и до 116-го элемента. Многие из них синтезированы в r. Дубне (Г.Н. Флеров, Ю.Ц. Оганесян и др.).
Радиоактивные изотопы, введенные в изучаемый объект, дают возможность исследовать свойства вещества и ход разнообразных процессов: метод меченых атомов. Химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов, но они являются источниками радиоактивного излучения.
Метод меченых атомов широко используется в медицине (исследование обмена веществ, постановка диагноза, для терапевтических целей, лечение раковых заболеваний), промышленности (контроль износа деталей, диффузия в металлах, исследование внутренней структуры, обнаружение дефектов), сельском хозяйстве, биологии (облучение g-лучами семян, борьба с вредными насекомыми, консервация пищевых продуктов), археологии (определение возраста Земли, древних предметов).
Биологическое действие радиоактивных излучений На организм влияет только та часть радиоактивного излучения, которая поглощается его тканями. Поэтому биологическое действие излучений характеризуется поглощенной дозой излучения. Поглощенной дозой излучения D называют величину, равную отношению энергии ионизующего излучения, поглощенной облучаемым веществом, к массе этого вещества: В СИ единица поглощения дозы излучения — грей (Гр). 1 Гр ранен дозе поглощенного излучения, при которой облучаемому веществу массой 1 кг передается энергия ионизующего излучения, равная 1 Дж: Отношение поглощенной дозы ко времени облучения наз. мощностью дозы излучения. Ее единица в СИ - . Естественный фон на человека равен 2- 10^-3 Гр/год. Предельно допустимая норма для лиц, работающих с излучением, равна 0,05 Гр/год или 10^-3 Гр в неделю. Смертельная доза 3-10 Гр, полученная за короткое время.
Физическое воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано прежде всего с ионизацией атомов или молекул. Количественной мерой действия ионизирующего излучения служитэкспозиционная доза. Она равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха. Единица в СИ: . Внесистемная единица - рентген. Доза в один рентген ионизует 2^.10⁹ пар ионов в 1 см³.
При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или гамма-излучением экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза 8,8 мГр.
Различие биологического действия разных видов излучения характеризуется коэффициентом относительной биологической эффективности (коэффициентом качества) k, который принимает значения от 1 до 20.					Рентгеновское и гамма излучения: k=1; тепловые нейтроны: k=3; нейтроны с W=0,5МэВ: k=10; нейтроны с W=5МэВ: k=7.
Поглощенная доза, умноженная на коэффициент качества, характеризует биологическое действие поглощенной дозы и называется эквивалентной дозой. Единица в СИ зиверт (Зв). Среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленное естественным радиационным фоном, составляет около 2мЗв за 1 год.
Защита от излучения Так как интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, то для защиты людей необходимо удалять их от места излучения на достаточно большое расстояние: ампулы с радиоактивными препаратами нельзя брать руками. Для защиты от жесткого рентгеновского излучения и g-излучения применяются вещества, состоящие из элементов с высоким атомным номером и имеющие значительную плотность (чугун, сталь, свинец, баритовый кирпич, свинцовое стекло), а от нейтронов надо использовать вещества с невысоким атомным номером (вода, бетон, земля и др.).
Доза γ-.излучения, полученная телом, Гр	Эффект	Последствия
0—0.25 0,25—1 1—3 3—6 6—10	Не наблюдается Незначительное изменение в крови, слабая тошнота Изменение крови, рвота, плохое общее самочувствие Все эффекты указаны выше	Незначительное повреждение костного мозга, лимфатических узлов Возможно полное выздоровление При лечении переливание крови, пересадка костного мозга Смерть

Цепная реакция деления ядер урана
В 1938 r. О. Ган и Ф. Штрассман открыли: ядра урана при бомбардировке его нейтронами образуют другие элементы. А объяснение этому явлению было дано в 1939 г. австрийским физиком Л. Мейтнер и физиком О.Фришем:
Позже обнаружили, что при бомбардировке нейтронами U образуются 80 различных ядер. Наиболее вероятное деление оказалось:
Этот процесс происходит с выделением энергии 200 МэВ =3,2.10^-11 Дж. Энергия выделяется в виде: Е_к осколков ≈2,6-10^-11 Дж. Е_к нейтронов ≈0,1-10^-11 Дж. γ - Излучения ≈0,5.10^-11 Дж. β - Излучения.
Механизм деления Н. Бор, Я.И Френкель предложил капельную модель ядра атома. Она дает представление о ядре как о положительно заряженной капле жидкости. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны. Таким образом, кинетическая энергия новых ядер обусловливается кулоновскими силами.
Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра. Для осуществления ценной реакции пригодны лишь ядра . Естественный уран состоит из (0,7%), (97,3%). Ядра делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами, — только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой энергией при делении 60%, но только один из пяти производит деление.
Ценную реакцию чистого изотопа осуществить медленными нейтронами невозможно. Для ее течения необходимо, чтобы коэффициент размножения к нейтронов был k ? 1. В этом случае число нейтронов увеличивается или остается постоянным и ценная реакция протекает. При k <1 число убывает и цепная реакция невозможна. Коэффициент размножения увеличивается при захвате медленных ядром или быстрых ядрами и с последующим делением, уменьшается при захвате нейтрона ядром без последующего деления, при вылете нейтрона из делящегося вещества, при захвате нейтрона продуктами деления, замедлителями и конструктивными элементами установки.
С целью уменьшения вылета с куска урана увеличивают массу урана. Количество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхности, если форма урана с критической массой шарообразна. Минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250г до сотен килограммов. Существуют два вида ядерных реакций: неуправляемая ценная реакция и управляемая цепная реакция.
Неуправляемая цепная реакция протекает, если k>1. В качестве ядерного горючего используется в основном или , если их масса больше или равна критической массе. если каждый из нейтронов, вылетевший при делении, взаимодействует с соседними ядрами делящегося вещества и вызывает в них следующую реакцию деления, то происходит лавинообразное нарастание числа актов деления: один нейтрон — первое поколение, два нейтрона — второе поколение, четыре нейтрона — третье поколение, восемь нейтронов — четвертое поколение и т. д. Быстрое выделение энергии в такой системе приводит к взрыву.

Ядерный реактор
Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления, называется ядерным реактором. По назначению они делятся на следующие типы: Исследовательские. Энергетические. Воспроизводящие (реакторы на быстрых нейтронах). Транспортные. Реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов. Условием возникновения цепной реакции в реакторе является наличие размножения нейтронов при делении ядер и при k=1. Управление реактором осуществляется стержнями, которые поглощают нейтроны. Если эти стержни полностью ввести в активную зону, то k<1, если их постепенно выводить из активной зоны, то k>1.
Энергия деления ядер выделяется в виде тепла, которое используется для получения пара, вращающего турбину. Реакторы, работающие на тепловых нейтронах, состоят из делящегося вещества (изотоп урана, торий или плутоний), замедлителя нейтронов (графит, тяжелая вода, обычная вода), отражателя нейтронов (вещество, которое служит замедлителем), системы управления ходом цепной реакции деления (управляющие стержни из соединений бора и кадмия, эффективно поглощающие нейтроны), системы охлаждения, предназначенной для отвода тепла из активной зоны реактора (вода, жидкие металлы, некоторые органические жидкости), системы дозиметрического контроля и биологической защиты окружающей среды от протонов, нейтронов иg - излучении.
Реакторы на быстрых нейтронах имеют преимущество: при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать как ядерное топливо. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа . В реакторах-размножителях коэффициент воспроизводства k может быть равен 1,5, т. е. при делении 1 кг урана получается 1,5 кг плутония. В обычных реакторах k =0,6—0,7. Таким образом, при делении ядер реактор одновременно воспроизводит ядерное горючее в количестве, превосходящем израсходованное. Выделение нескольких нейтронов при делении ядер создает возможность для осуществления цепной реакции. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением в сотни раз больше, чем быстрых. Контролируя среду, в которой делятся ядра, можно создать условия, где на каждую реакцию деления в среднем приходится один вылетающий нейтрон, вызывающий последующую реакцию деления.
Термоядерная реакция Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.
Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 10-12 см. Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при этой реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана на один нуклон приходится ≈0,9 МэВ.		Пример термоядерной реакции: В этом случае выделяется энергия, равная 17,6 МэВ.
Управляемая термоядерная реакция — энергетически выгодная реакция. Может идти при больших температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах. В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, составляющие в т.ч. ядро атома— протон, нейтрони т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10⁻²⁴ до 10⁻²², для резонансов).

Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия^[1] (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа). Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион.

Спин -- одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином -- 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона -- 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т.д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

1. фермионы -- с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса -- лептоны (от греч. leptos -- легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адронами (от греч. adros -- сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

2. бозоны -- это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1. Составные частицы:

1.1 адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

1.1.1 мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

1.1.2 барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

2.1 лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих не из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

2.2 кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

2.3 калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

2.3.1 фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

2.3.2 восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

2.3.3 три промежуточных векторных бозона W+, W и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

2.3.4 гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения.

⇐ Предыдущая 12