Элементы физики атомного ядра

1. Элементы физики атомного ядра

1.
2.
3.
Строение ядра. Ядерные силы.
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
Ядерные реакции.
Литература
1. Савельев, И.В. Курс общей физики. В 5-и тт. Том 5, Глава 10 ,Атомная
физика. [Электронный ресурс] : учеб. пособие — Электрон. дан. —
Санкт-Петербург : Лань, 2011. — 384 с. — Режим доступа:
https://e.lanbook.com/book/708.
2. Трофимова Т.И. Курс общей физики. - § 251 - 268

2.

Вопрос 1.
Протон:
Атомное ядро состоит из элементарных
частиц - протонов ( p ) и нейтронов ( n ).
Протоны и нейтроны называются нуклонами.
Qp = + e,
Нейтрон: Qn = 0,
mp = 1839 me
mn = 1836 me
Символ химического элемента
Х
A
Z
X
- символ химического элемента в Таблице химических
элементов
Z - зарядовое число ядра, равно числу протонов в ядре
и совпадает с порядковым номером химического
элемента в Таблице химических элементов.
А - массовое число ядра, равно числу протонов Z и
нейтронов N (нуклонов) в ядре.
A = Z + N

3. Изотопы - атомы с одинаковым зарядом ядра Ze, но с разным массовым числом А, то есть с разным числом нейтронов в ядре.

Ядра атомов представляют собой устойчивые образования, хотя
между положительными протонами существует сильное отталкивание.
Силы притяжения, удерживающие протоны и нейтроны в ядре,
называются ядерными силами. Их свойства:
1. Они являются короткодействующими. R ~ 10 -15 м
2. Это силы притяжения.
3. Зарядовая независимость. Они имеют неэлектростатическую
природу.
4. Им свойственно насыщение. Каждый нуклон в ядре
взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему
нуклонов.
5. Они не являются центральными, как кулоновские силы.

4.

Зарядовое число Z равно числу электронов в
электронейтральном атоме. Принято выражать массы
микрочастиц в специальных единицах, атомная единица массы
(а.е.м.)
1 а.е.м. = 1,66 . 10-27 кг
Примеры изотопов: изотопы водорода
H протий, 12H (или 12D) дейтерий,
1
1
H (или 31T тритий
3
1
Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, то
есть практически одинаковые химические свойства, и занимают
одно и то же место в Периодической системе химических
элементов.

5. Энергия связи атомного ядра Eсв - энергия, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны.

Масса любого ядра Мя меньше суммы масс составляющих его
свободных Z протонов и (А - Z) нейтронов.
M я Z m p ( A Z ) mn
m Z m p ( A Z ) mn M я
Дефект массы ядра - разность между суммой масс
свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро и
массой ядра.

6. Энергия связи атомного ядра равна разности между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

Энергия связи расходуется на совершение работы против
действия ядерных сил притяжения.
Из закона сохранения энергии следует, при образовании ядра из
составляющих его частей, должна выделяться энергия, равная энергии
связи ядра.
E св Z m p ( A Z ) mn М я с 2 m c 2
Энергию связи принято выражать в электрон-вольтах (эВ) и мегаэлектронвольтах (МэВ). Энергия связи, которая соответствует дефекта массы в
1а.е.м равна
2
E св m c 931,5 МэВ ( m 1 а.е. м)
Это сотношение удобно использовать для
вычисления энергии связи атомных яд ер
Есв m 931,5
МэВ
а.е. м.

7. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон

Eсв
Eсв
А
Характеризует устойчивость
(прочность) ядер. Чем она
больше, тем устойчивее ядро.
Видно, что лёгкие и тяжёлые
ядра менее устойчивы.
Энергетически выгодно:
1. деление тяжёлых ядер на
на более лёгкие;
2. Слияние (синтез) лёгких
ядер друг с другом в более
тяжёлые ядра.

8. Вопрос 2. Радиоактивность открыл А. Беккерель в 1896 г. Он обнаружил, что соли урана испускают неизвестные лучи, обладающие

огромной проникающей способностью
Радиоактивность - явление самопроизвольного (спонтанного)
превращения атомных ядер в другие ядра с испусканием различных
видов излучений.
Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов,
существующих в природе.
Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов, полученных
в ядерных реакциях.
Установлено, что радиоактивность не зависит от состояния вещества
и внешних условий (температуры, давления). Она является свойством
атомных ядер.
Было установлено, что радиоактивное излучение неоднородно по
составу.

9. В магнитном поле радиоактивное излучение разделяется на три вида: α – излучение, β – излучение и γ – излучение.

10. Типы радиоактивных излучений

1. Альфа – излучение - это поток
ядер гелия He.
Заряд частицы равен 2 е
Массовое число А 4
Символ изотопа гелия
2.
Бета – излучение быстрых электронов.
это поток
4
2
He
излучение
Заряд равен е
Массовое число берётся А 0
3. Гамма – излучение - это
коротковолновое электромагнитное
излучение с λ < 10 – 12 м.
Поток частиц Ү - квантов (фотонов).

11. Правила смещения - правила, позволяющие установить, какое ядро возникает в результате радиоактивного распада данного

материнского
ядра.
при распаде
A
Z
при распаде
A
Z
X
A 4
Z 2
Y 24He
X
A
Z 1
Y
X
символ материнского ядра
Y
символ дочернего ядра
A
Z
He ядро изотопа гелия
4
2
0
1
e символ электрона
0
1
e

12. Правило 1. Сумма зарядовых чисел возникающих ядер и частиц равна зарядовому числу исходного ядра. Правило 2. Сумма массовых

чисел возникающих ядер и частиц
равна массовому числу исходного ядра.
Правила смещения - следствие законов
сохранения зарядового и массового чисел

13. Закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем. Этот закон статистический и для малого

числа ядер применять нельзя.
N N0 e t
или
N N0 2
t
T1 / 2
N 0 начальное число радиоактивных ядер
N число нераспавшихся ядер
постоянная радиоактивного распада
T1/ 2 период полураспада

14. Период полураспада T1/2 - это время, в течение которого распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.

T1/ 2
ln 2
0,693
Число нераспавшихся ядер N
в течение любого интервала
времени , равного периоду
полураспада, уменьшается в
2 раза.
График зависимости от времени
числа нераспавшихся радиоактивных
ядер N.

15.

Примеры периодов полураспада у разных изотопов
Радиоактивность широко применяется в технике, медицине,
различных технологических процессах и т.д. Можно отметить
метод радиоактивного датирования, в котором используется закон
радиоактивного распада.

16. Радиоактивное датирование - метод определения возраста древних материалов ( радиоуглеродный метод )

Радиоактивный изотоп углерода С -14 с периодом
полураспада 5700 лет образуется под действием
нейтронов космических лучей согласно реакции
14
7
N
n
1
0
14
6
C
1
1
p
- в земной атмосфере отношение числа атомов углерода С-14
к углероду С-12 примерно постоянно
- растения поглощают из воздуха двуокись углерода CO2
- если организм (растение) перестаёт поглощать из атмосферы
радиоактивный углерод С-14, его содержание уменьшается
- путём измерения концентрации углерода С-14 в останках
можно определить возраст ископаемых организмов

17.

18. Вопрос 3. Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.

Символическая запись ядерных реакций
X a Y b
X , Y исходное и конечное ядра
a , b бомбардирующая и испускаема я
в ядерной реакции частицы

19. В 1919 г. Э. Резерфорд осуществил первую искусственную реакцию превращения азота в кислород, показанную ниже.

14
7
N
He
4
2
O
17
8
1
1
p
В 1932 г. Дж. Чедвиком впервые был получен нейтрон
в ядерной реакции:
Be
9
4
здесь
He
4
2
12
6
p протон
1
1
n нейтрон
1
0
C
1
0
n

20. В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда и массового числа.

Законы сохранения зарядовых чисел
и массовых чисел
Сумма зарядовых чисел ядер и частиц, вступающих в
реакцию, равна сумме зарядовых чисел конечных продуктов
(ядер и частиц) реакции.
Сумма массовых чисел ядер и частиц, вступающих в реакцию,
равна сумме массовых чисел конечных продуктов (ядер и
частиц) реакции.

21.

Искусственная радиоактивность. Ядра тяжёлых элементов могут
делиться на ядра меньшей массы при внешнем воздействии. В 1938 г.
немецкие учёные Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деление ядра
235
урана 92 U под действием медленных нейтронов. Использование
нейтронов обусловлено их электронейтральностью. Отсутствие
кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам
проникать в атомное ядро.
Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра,
обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и
ядерного притяжения. Это приводит к искусственной радиоактивности, то
есть к делению ядра на ядра меньшей массы, называемых осколками
деления.
Реакция деления ядер урана сопровождается выделением
значительной энергии, Выделение энергии обусловлено различием
удельных энергий связи нуклонов ядер урана и осколков реакции.
В результате реакции деления ядра выделяется 0,9 МэВ на один нуклон.
Эта энергия выделяется в основном в виде кинетической энергии
разлетающихся осколков (около 90 %).

22. Огромное значение имеет реакция деления тяжёлых ядер, поскольку при этом выделяется огромная энергия.

Тяжёлое ядро под действием нейтронов делится на несколько
более лёгких ядер – осколков, чаще всего на два ядра, близких по
массе.
В случае тяжёлых ядер N / Z = 1,6 . Образовавшиеся осколки
деления перегружены нейтронами, в результате чего они выделяют
нейтроны деления.
Пример реакции деления ядра урана
U n
235
92
1
0
Kr
91
36
Ba 3 n
142
56
1
0
Эти вторичные нейтроны могут расщепить другие ядра урана,
образуя новые нейтроны и так далее. Может возникнуть лавинообразный процесс, называемый цепной реакцией.

23. Схема развития цепной реакции деления ядер урана

Цепная реакция деления - это
ядерная реакция, в которой
частицы, вызывающие
реакцию, образуются как
продукты реакции
При делении одного ядра
урана выделяется 200 МэВ.
При делении ядер в 1 г урана
выделяется 8 . 1010 Дж, что
равно энергии, выделяющейся
при сгорании 2,5 т угля.

24.

25. Наименьшая масса вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называется критической массой. В кусках малых

размеров большинство нейтронов вылетает
наружу, не попав ни в одно ядро.
Критическая масса для урана – 235 примерно составляет 50 кг.
Цепная реакция деления ядер может быть неуправляемой
(атомная бомба) и возникает при быстром соединении
двух кусков урана – 235, каждый из которых имеет массу
несколько ниже критической.
При их объединении происходит взрыв.

26. Деление ядра урана происходит под действием медленных (тепловых) нейтронов с энергией порядка 0,1 эВ. Эффективность воздействия

235
92
U
Деление ядра урана
происходит под действием медленных
(тепловых) нейтронов с энергией порядка 0,1 эВ. Эффективность
воздействия таких нейтронов связана с большим временем их
взаимодействия из-за малой скорости относительного движения.
Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом
размножения нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов k – это отношение числа
нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем
поколении.
Необходимое условие для развития цепной самоподдерживающейся
реакции k ≥ 1.
При к – 1 - реакция протекает стационарно. Число нейтронов
сохраняется неизменным.
При к > 1 - реакция нестационарна. Число нейтронов лавинообразно
нарастает.

27.

Управляемая цепная ядерная реакция деления ядер осуществляется в
ядерных реакторах.
• Ядерный реактор – устройство, в котором выделяется тепловая
энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.
Принципиальная схема ядерного реактора показана следующих двух
слайдах.
Ядерное топливо (уран) располагается в активной зоне в виде
вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами
(ТВЭЛ), которые предназначены для регулирования мощности реактора.
В активной зоне находится замедлитель нейтронов (вода или тяжёлая
вода), для уменьшения утечки нейтронов активную зону окружают
отражателем нейтронов. А управление скоростью цепной реакции
осуществляется с помощью передвижения в активной зоне регулирующих
стержней, сильно поглощающих нейтроны (кадмий, карбид бора).

28. Управляемая цепная реакция деления тяжёлых ядер протекает в ядерных реакторах. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах

29. Внутри ядерного реактора

30. Термоядерная реакция - это реакция слияния ( синтеза ) лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящая при очень высокой

температуре (108 и выше). Пример такой реакции показан.
H H He n
2
1
3
1
4
2
1
0
Энергетический выход в реакции слияния ядер изотопов
водорода в ядро гелия составляет 17,6 МэВ, что гораздо больше
энергии, выделяемой при делении тяжелых ядер.
Выделяется
удельная энергия - 3,5 МэВ/нуклон !
Однако, реакции слияния лёгких ядер (синтез) могут протекать лишь
при очень высоких температурах, которые не выдерживают никакие
материалы. Технически эта задача пока не решена. Но есть уверенность,
что создание термоядерного реактора всё же дело ближайшего
будущего.
Управляемый термоядерный синтез решит
энергетические проблемы человечества !

31. Действие радиоактивных излучений на вещество

Радиоактивное излучение включает гамма – и рентгеновское
излучение, электроны, протоны, альфа – частицы, ионы тяжёлых
элементов.
Его называют ионизирующим. Проходя через живую ткань, оно
вызывает ионизацию атомов. Характер действия зависит от дозы
поглощённого излучения и его вида. Применяют две основные
характеристики действия ионизирующего излучения.
1. Доза поглощённого излучения - отношение энергии излучения Е,
поглощённой облучаемым телом, к его массе m .
D=E/m
Единица измерения 1 Гр (грей) = 1 Дж/кг

32. Биологическое действие разных видов излучения характеризуют коэффициентом качества k.

Биологический эффект любого ионизирующего излучения сравнивают
с действием рентгеновского и гамма – излучения, для которых
коэффициент k = 1.
Электроны k = 1 – 1,5
Протоны
k = 10
Альфа – частицы - k = 10
Медленные нейтроны - k = 3 – 5
Быстрые нейтроны k = 10
Вклад в естественный радиационный фон радиактивного
газа радона, попадающего в организм при дыхании - 55 %

33.

2. Для оценки действия излучения на живые организмы
введена специальная величина - эквивалентная доза H ,
которая равна произведению дозы поглощённого
излучения на коэффициент качества.
H = D .K
Единица эквивалентной дозы - зиверт ( 1 Зв)
1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощённого
гамма - излучения равна 1 Гр (грею).
Допустимая доза облучения
Доза, вызывающая лучевую болезнь
Смертельная доза облучения
< 0,25 Гр
1 - 6 Гр
6 - 10 Гр

34. Дозиметрия - измерение радиоактивного излучения

Существуют различные приборы и методы для регистрации
радиоактивных излучений и частиц. Одним из газоразрядных счётчиков
излучений является счётчик Гейгера-Мюллера.
Счётчик Гейгера (рисунок) представляет герметическую запаянную
трубку, к внутренним стенкам которой прилегает металлический
цилиндр - катод К. По оси проходит металлическая проволока,
которая служит анодом А. Трубка заполнена газом (аргоном). Между
катодом и анодом приложено высокое напряжение. Заряженная
частица, влетая, ионизирует молекулы газа. Образовавшиеся
электроны вызывают лавинную ионизацию других молекул. На
резисторе возникает импульс напряжения, который попадает на
пересчётную схему.
Счётчик работает в области вольт-амперной характеристики,
соответствующий самостоятельному разряду, когда выходной импульс не
зависит от первичной ионизации, и регистрирует частицу без измерения
её энергии.

35.

Принцип действия счётчика Гейгера

36.

Некоторые типы счётчиков Гейгера. Дозиметр также включает
в себя схему питания, пересчётную схему, дисплей, микропроцессор
и другие электронные элементы, определяемые назначением и функциями
прибора.