Структура атомного ядра. Радіоактивність Постулати Бора Лазери.

План.

Атомне ядро та внутрішньоядерні процеси.

Спостереження та реєстрація мікрочастинок.

Склад ядра. Енергія зв’язку. Ядерні реакції.

Досліди Резерфорда. Постулати Бора.

Загальні відомості про атомні ядра. Ізотопи.

Ядерна фізика – Це розділ фізики, який вивчає будову атомних ядер та процеси, що в них відбуваються.

Згідно гіпотези Д. Д.Іваненко (1932 р.), яка зараз є загальновизнаною, всі атомні ядра складаються з двох видів елементарних часток – протонів та нейтронів. Протон має додатній заряд, який дорівнює заряду електрона (+1,6×10 -19 Кл), та масу спокою mp = 1,67·10-27 кг. Нейтрон не має заряду; його маса зовсім незначно перевищує масу протона: mn = 1,675·10-27 кг. Загальна назва протона та нейтрона – нуклони. Масу ядер та елементарних часток вимірюють в атомних одиницях маси (а. о. м.). Одна а. о. м. дорівнює одній дванадцятій маси ізотопу атома вуглецю С-12: 1,6· 10-27 кг. Отже: mp » mn » 1 а. о. м Заряд атомного ядра довільного хімічного елемента, отриманий в елементарних зарядах, дорівнює атомному номеру Z цього елемента. Отже: кількість протонів в атомному ядрі дорівнює атомному номеру хімічного елемента ( порядковому номеру в таблиці Мендєлєєва ): Np = Z. Майже вся маса атома – це маса ядра. Маса ядра складається з суми мас нуклонів. Отже: сума кількостей протонів та нейтронів, отримана в а. о. м., дорівнює масовому числу атома А, тобто ближньому цілому числу до атомної маси: Np + Nn = A, тобто кількість нейтронів дорівнює різниці: Nn = A – Z. Атомні ядра позначаються символом: X, де: Х – символ хімічного елемента, А – масове число, Z – атомний номер. Наприклад: Не — ядро гелію, О – ядро кисню та ін.

Ізотопи – це атомні ядра, які мають однаковий заряд, але різне масове число; тобто мають однакову кількість протонів та різну кількість нейтронів. Для водню такими ізотопами є: протій (легкий водень), дейтерій (важкий водень), тритій (надважкий водень), чотирьохнуклонний водень (без спецназви). Позначаються вони так: протій, дейтерій, тритій. В з’єднанні з киснем вони утворюють: воду, важку воду та надважку воду. Всі ізотопи одного хімічного елемента мають однакову будову електронних оболонок, тому їх хімічні властивості однакові. В той же час фізичні властивості, які пов’язані з будовою ядра, значно різняться. Найсуттєвіше це має прояв у легких елементів. Головним чинником того, що атомна маса деяких елементів в значній мірі відрізняється від цілого числа є те, що більшість елементів – це суміш ізотопів. Розділити ці ізотопи можливо за допомогою мас-спектрографа.

2. Спостереження та реєстрація мікрочастинок.

На сьогоднішній день існують такі прилади для спостереження та реєстрації мікрочастинок:

1.Лічільник Гейгера – Мюллера. Він реєструє кожну іонізуючу частинку; максимальна кількість відліків до 10 000 частинок за 1с. Працює за іонізаційним принципом.

2. Сцинцилляційний лічильник. Працює за принципом радіолюмінісценції, тобто спеціальна речовина висвітлює крапку в місці потрапляння часток радіаційного випромінювання. Відмічає кожну мікрочастинку, що потрапляє до лічильника; кількість відліків на декілька порядків вища, ніж у іонізаційного лічильника.

3. Камера Вільсона та бульбашкова камера. Дають можливість фотографувати треки мікрочастинок. 4. Товсті фотоемульсії. Дають можливість спостерігати треки дуже енергоємних частинок, я також дають можливість тривалий час очікувати частки, які дуже рідко зустрічаються в природі. Застосування тих чи інших засобів зумовлюється різними чинниками протікання фізичних процесів у світі мікрочасток.

Біологічна дія випромінювання характеризується дозою. Поглинутою дозою випромінювання D називається відношення поглиненої енергії іонізуючого випромінювання до маси опроміненої речовини: D = ; [D] = Гр. = . Дія іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти полягає в порушенні процесів клітинного поділу. Природний фон радіації складає на людину за рік 2·10-3 Гр. Доза більше 3 Гр, одержана за короткий час, смертельна. Найпростіший спосіб захисту – віддалення на досить велику відстань від джерела випромінювання. Від g — променів захищає свинець, від повільних нейтронів – товстий шар цементу, бору, кадмію.

2. Ядерні сили.

Згідно теорії Я. І.Френкеля, атомне ядро можна змалювати у вигляді краплі рідини, в якій нуклони пов’язані між собою особливими силами, як у краплині молекули пов’язані силами молекулярного зчеплення.

Ядерні сили – це особливі сили при тяжіння, які зв’язують між собою нуклони в ядрі. Інша назва ядерних сил – сильна взаємодія. Ці сили діють на дуже малих відстанях ~ 10-13 см і перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами на таких відстанях. Ядерні сили — це сили особливого роду, вони не гравітаційні і не електричні. На сьогоднішній день досить вірогідною вважається мезонна теорія ядерних сил, згідно якої нуклони взаємодіють між собою шляхом обміну особливими елементарними частинками – мезонами. Найбільш сталими є ядра легких елементів, а у важких елементів (розташовані після свинцю в таблиці Мендєлєєва) ядерні сили вже не забезпечують сталості ядер, тому ці ядра можуть мимовільно розпадатися.

3. Природна радіоактивність. Види радіоактивного випромінювання. Закон радіоактивного розпаду.

Природна радіоактивність – це процес самодовільного розпаду ядер хімічних елементів з перетворенням їх в ядра більш легких елементів.

Відкрита природна радіоактивність була в 1896 р. французьким фізиком А. А.Бекерелем стосовно уранових солей; далі ґрунтовно досліджене це явище було П. Кюрі та М. Кюрі-Склодовською та Е. Резерфордом, які відкрили радіоактивність радію, полонію, актинію, торію. Випромінювання цих радіоактивних елементів має назву радіоактивного випромінювання (радіоактивні промені). Досліди радіоактивних променів в магнітному полі встановили наявність трьох компонент у випромінюванні, а саме:

Альфа-промені (α-промені) – це потік ядер гелію Не — a-частинки. Вони відхиляються в електричному та магнітному полях. Мають швидкості від 14 до 20 000 км/с, що відповідає енергіям від 4 до 9 МеВ. Мають високу іонізуючу властивість (до 30 000 пар іонів на 1 см пробігу) та малу довжину вільного пробігу (малу проникаючу властивість) ~ 9 см в повітрі. Повністю поглинаються, наприклад, товщею алюмінію до 0,06 мм, або біотканиною до 0,12 мм;

Бета-промені (b-промені) – потік електронів – β-частинок зі швидкостями до 160 000 км/с. Мають безперервний енергетичний спектр, тобто найрізноманітніші швидкості та енергію. Іонізуюча властивість досить мала, а проникаюча властивість » в 100 разів вища ніж у a-частинок. Поглинаються промені біотканиною до 6 см товщиною. Одночасно з бета-частинкою з ядра вилітає дуже легка незаряджена частинка – нейтрино, тому ці дві частинки сумісно виносять з ядра завжди однакову енергію.

G-промені – потік фотонів високих енергій близько 1 МеВ, тобто ці промені є надзвичайно жорстким електро-магнітнім випроміненням з частотою до 10 — 20 Гц; за властивостями подібне до рентгенівського випромінювання. Ці промені не відхиляються ні в магнітному ні в електричному полях, розповсюджуються зі швидкістю світла, при проходженні крізь кристал виявляють дифракцію. Але на відміну від рентгенівських променів γ-промені випромінюються атомним ядром, а не електронними оболонками. Іонізуюча властивість мала, а проникаюча властивість надзвичайно висока: проходять крізь тіло людини наскрізь; окремі промені можуть пройти крізь шар свинцю до 5 см товщиною.

Внаслідок радіоактивного розпаду атомне ядро одного хімічного елемента перетворюється в атомні ядра інших хімічних елементів, при цьому виконуються так звані закони зміщення.

Внаслідок a-розпаду заряд ядра зменшується на дві одиниці, а масове число зменшується на чотири; елемент зміщується в періодичній таблиці на два номери вліво із зменшенням масового числа на чотири а. о.м.: , наприклад:.

Внаслідок b-розпаду заряд ядра збільшується на одиницю, а масове число практично не змінюється; елемент зміщується в періодичній табліці на один номер вправо без зміни масового числа. , наприклад:. () (нейтрино)

Радіоактивний розпад веде до поступового зменшення кількості атомів радіоактивного елемента. Процес розпаду носить вірогідний характер відносно кожного конкретного атома. Кількість атомів, які розпадаються за час dt пропорційна цьому відрізку часу, а також загальній кількості N атомів радіоактивного елемента:

DN = — λ N dt, де: λ – стала розпаду даного елемента. Закон радіоактивного розпаду в математичній формі має вигляд: , де: N0 — кількість атомів в момент часу t = 0;

T – час, N – кількість атомів в момент часу t.

Період піврозпаду – це час, за який кількість атомів початкового елемента зменшується вдвічі:

Т = 0,693/λ. Середній час життя атома – величина, обернена сталій розпаду λ елемента: τ = 1/λ, або: τ = 1,44 Т.

Активність елемента – це кількість атомних ропадів за 1с: . Вимірюється в „Кюрі”: 1Ки = 3,7 · 1010 розпадів/с. На сьогоднішній день відомі чотири радіоактивні сімейства хімічних елементів: 1) урану – радію: уран-238 (Т = 4,5 млрд. років) → процес радіоактивних розпадів після кількох послідовних розпадів-перетворень завершується ізотопом свинцю-206; 2) нептунію: нептуній-237 (Т = 2,2 млн. років) → ізотоп вісмута-209. Зараз на Землі природного нептунію вже не існує, бо він повністю розпався; 3) актинію: актиноуран-235 (Т = 0,73 млрд. років) → ізотоп свинцю-207; 4) торію: торій-232 (Т = 14 млрд. років) → ізотоп свинцю-208.

5. Ядерні реакції.

Досліди над природною радіоактивністю елементів довели, що перетворення одного хімічного елемента в інший зумовлене внутрішньоядерними процесами.

Тому були зроблені вдалі спроби штучним чином викликати ядерні перетворення.

Ядерна реакція – це процес перетворення атомних ядер одних елементів в інші внаслідок дії на них швидких елементарних частинок або ядер інших атомів.

Перша штучна ядерна реакція була реалізована в 1919р. Е. Резерфордом: ядра азота перетворилися в ядра ізотопу кисню під дією a-частинок від природного радіоактивного препарату:

(a-ч.) (Р)

Внаслідок ще однієї штучної ядерної реакції в 1932 р. Був виявлений нейтрон (здійснив реакцію Д. Чедвік):

,

Далі нейтрони спрямувалися в камеру Вільсона з азотом і викликали реакцію:

.

(a-ч.)

Всі ядерні реакції протікають з випроміненням різних елементарних часток та g — фотонів. Елементи багатьох ядерних реакцій є радіоактивними; їх називають штучно радіоактивним и ізотопами (це явище було відкрито в 1934 р. Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі).

На сьогоднішній день отримані по декілька штучних ізотопів для кожного хімічного елемента. Багато з них використовуються в якості мічених атомів в різних галузях людської діяльності.

6. Енергія зв’язку. Дефект мас атомного ядра.

Для того, щоб здійснити ядерну реакцію, потрібно виконати роботу проти ядерних сил, які утримують нуклони в ядрі.

Енергія зв’язку ядра – це енергія, яка потрібна для розділення нуклонів в ядрі, тобто енергія розриву ядерних зв’язків між нуклонами.

Дефект маси ядра – це різниця між сумою мас всіх нуклонів ядра та масою цілісного ядра з цих же нуклонів.

Енергія зв’язку ядра та дефект маси ядра пов’язані простим співвідношенням:

, де: D W – енергія зв’язку,

D m – дефект маси ядра;

с – швидкість світла в вакуумі.

Загальна формула для розрахунку енергії зв’язку ядра та його дефекту маси (обчислюється з великою точністю дослідним шляхом) має вигляд:

,

[Дж]

Де: А – масове число; z – атомний номер елемента; mp – маса протона; mn – маса нейтрона.

В а. о. маси, та, враховуючи зв’язок між а. о. маси та енергією в еВ, можна отримати:

,

[МеВ] а. о.м. а. о.м. а. о.м.

Питома енергія зв’язку ядра – це енергія зв’язку ядра, яке припадає на один нуклон:

ΔWпитома = D W/А.

Чим більша питома енергія зв’язку, тим прочніше ядро елемента. Найбільш стійкі ядра елементів в середині таблиці Менделєєва: у елементів з А » 100 а. о.м., D W » 8,65 МеВ, у важких елементів (урану): D W » 7,5 МеВ, у легких (гелію): D W » 7 МеВ.

Кожна ядерна реакція супроводжується випромінюванням чи поглинанням енергії.

Випромінена енергії відбувається під час реакції поділу важких ядер на ядра з масовими числами А ³ 100, а також внаслідок ядерних реакцій об’єднання (синтезу) легких ядер в одне більш важке ядро.

Під час поділу ядра урану-238 (А1=238) на два атомні ядра („осколки”) з масовими числами А2=119 виділяється ядерна енергія: D W » 261,8 МеВ:

Δ W = W2 – W1 =238× (8,6 МеВ – 7,5 МеВ) = 261,8 МеВ.

Для поділу ядра витрачається енергія зв’язку 238-ми нуклонів, а у двох нових ядрах ця енергія (енергія зв’язку) вже значно більша: в урані ~ 7,5 МеВ на нуклон, а в ядрах з А2=119~ 8,6 МеВ на нуклон.

Під час реакції синтезу, наприклад, з двох ядер натрію 23Na (A1 = 23) ядра з масовим числом А2 = 46 теж виділиться ядерна енергія:

Δ W = W2 – W1 = 2× 23× (8,4 – 7,9)МеВ = 23 МеВ.

Отже, ядерна енергія, яка виділяється внаслідок реакції поділу важких ядер або реакцій синтезу легких ядер, дорівнює різниці енергій зв’язку продуктів реакцій та енергії зв’язку початкового ядерного матеріалу: ΔW = W2 – W1.

Реферати

• фрекційні передачі деталі машин
• программа по проверке процесса стерилизации консервов
• качество продукции это
• методы определения температуры в молоке и молочных продуктах
• виды переработки животных
• классификация основных процессов пищевых производств.