Реакции 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.

Радиоактивность. α, β, -излучения.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц. Этот процесс характерен лишь для нестабильных ядер. Радиоактивность бывает естественной (в природных условиях) и искусственной (при ядерных реакциях).

Если обозначить через dN количество ядер, подвергшихся радиоактивному распаду за время dt, то dN=-λNdt, где λ; – постоянная распада. Знак (-) взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование дает:

N=N₀e^-2t – закон радиоактивного распада

где N₀ – изначальное число ядер (t=0)

N – количество не распавшихся ядер в любой момент времени t.

Выражение определяет количество ядер, распавшихся за промежуток времени t.

Время, за которое распадается половина всех имевшихся в начальный момент ядер, называется периодом полураспада T.

()

– называется средним временем жизни ядра

Процесс радиоактивного распада сопровождается тремя видами излучения:

1. α - распад (в магнитном поле ведет себя так поток положительно заряженных частиц); α – распад - это дважды ионизированные атомы гелия (т.е. – ядра гелия). Скорость ≈10⁷м/с. Лист бумаги – защита

Символическая запись ядерной реакции: . Пример: () Th – торий

2 .(β-) - распад (в магнитном поле ведет себя как поток отрицательно заряженных частиц).

Символическая запись:

, где

– антинейтрино; е – электрон

нейтрон, протон, электрон

- подтверждено для свободных электронов.

0< <E_max – непрерывный спектр излучения электронов.

Пример: (), где Ра – протактиний, – антинейтрино; е – электрон

Кроме (β-) существует еще, так наз., - распад (позитронный распад)

Позитрон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино.

(свободный протон такую реакцию осуществить не может).

Пример: , где – позитрон,
–нейтрино (доказано в1956г.)

Участие в процессах распада нейтрино и антинейтрино диктуется законом сохранения момента импульса.

3. - лучи – на магнитное поле не реагируют. В виде самостоятельного радиоактивного излучения среди естественно-радиоактивных веществ не встречается.
Е 10кэв÷5Мэв

Правила радиоактивного смещения

Если в процессе радиоактивного превращения - лучи, то в таблице Менделеева происходит переход на 2 клетки вперед (к началу таблицы), если - распад, то на одну клетку дальше от начала таблицы Менделеева.

Правила смещения являются следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах – закон сохранения элементарных зарядов и закон сохранения массового числа.

В результате радиоактивного распада могут возникать нестабильные ядра и т.д. до образования стабильного элемента (радиоактивные семейства). Семейства называются по наиболее долго живущему по периоду полураспада родоначальнику семейства. Существует 4 радиоактивных семейства.

Торий Рb

Нептуний Bi

(искусственно получен. ядра)

Уран Pb

Актиний Pb

 

Свинец и висмут (Рb и Bi) – конечные элементы в радиоактивных семействах.

- семейство урана

- семейство тория

При ядерных реакциях выполняются основные законы сохранения:

1. элементарного заряда;

2. числа нуклонов (в реакциях без античастиц);

3. энергии (полная энергия всех продуктов реакции не изменяется);

4. импульса и момента импульса

Источники радиации.

 

1. Перелет самолетом (в 25 раз выше уровня моря) экипаж!!!

2. Жители в горах (в несколько раз больше)

3. Газ радон (непроветриваемые помещения). Гранит, пемза, некоторые глиноземы, грунт. (>5000раз, Швеция и Финляндия). Фосфатные удобрения содержат уран.

4. Диагностика в медицине, рентгенография.

5. Ядерные взрывы, аварии атомных реакторов.

6. Добыча урановой руды – отходы.

7. Профессиональное облучение (мед. диагностика).

8. Шахтеры, курорты с радоном.

9. Отбеливание зубов (блеск) уран, свечение телевизора (практически не излучает), проверка багажа.
Естественные источники радиации – 82%
Искусственные источники радиации – 12%

Экспозиционная доза облучения: - отношение суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе к массе этого воздуха.

Единица измерения (устаревшая, но применяемая) Р(рентген)=2,58·10^-4

Современная: 1 ЗИВЕРТ = 100 РЕНТГЕН.
Фон в Ростове 0,10 – 0,16 мкЗв/час. Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленного естественным радиационным фоном, составляет 2 мЗв в год.

Методы регистрации ионизирующих излучений:

 

1.Сцинтилляционный счетчик (кристаллофосфор + фотоумножитель) Регистрирует: α-(ZnS), β; и - (NaI-Tl)

Заряженная частица, пролетая через вещество, вызывает как ионизацию, так и возбуждение атомов. Возвращаясь в стационарное состояние, атомы излучают кванты видимого света. Вспышка света передается фотоумножителю. Электрические импульсы на выходе фотоумножителя подвергаются счету.

2.Ионизационная камера (несамостоятельный разряд)

 

3.Газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера-Мюллера). Самостоятельный разряд, гасится сопротивлением.

4. Полупроводниковый счетчик
5. Камера Вильсона (перенасыщенный пар)

6. Пузырьковая камера (перегретая жидкость)

5 и 6 – работают циклами, наблюдаются трэки – следы частиц в камере.

7. Ядерные фотоэмульсии (авторадиография)

8. Окрашиваемые детекторы (стекло, кварц – могут окрашиваться)

 

Ядерные силы. Модель ядра.

 

Между нуклонами действуют силы, во много раз большие кулоновского отталкивания (радиус действия r~10^-15м)

Ядерные силы относятся к классу, так называемых, сильных взаимодействий.

Основные свойства

1. Ядерные силы являются силами притяжения.

2. Ядерные силы – короткодействующие.

3. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость,

 

, то есть они имеют неэлектрическую природу.

4. Ядерным силам свойственно насыщение, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом соседей.

5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов ( образуется лишь при со направленных спинах протона и нейтрона).

6. Ядерные силы не являются центральными.

Модели ядра

 

I. Капельная (1936 г). Бор, Френкель. Капельная объяснила механизм ядерных реакций. Не смогла объяснить магические числа. Основа – аналогия между поведением молекул в капле (V-const, ρ-const).

II. Оболочечная (1949-50 гг). американец Геппер-Майер, немец Иенсен. Легкие и средние ядра описали. Распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим оболочкам, заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Объяснение: магические числа – полностью застроенные оболочки.

III. Синтез моделей (обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра).