Фізика 3 курс для груп 32, 34

Тема: Атомна і ядерна фізика

Тема уроку: Атомне ядро. Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Нуклони. Ядерні сили та їх ослбливості. Стійкість ядер.

Будова атома та його складники
Протони і нейтрони, маса кожного з яких приблизно 1800 разів більша за масу електрона, утворюють важке позитивне ядро дуже малих розмірів (). Протони і нейтрони, які разом називають нуклонами, утримуються всередині ядра ядерними силами притягання.
Зверніть увагу! Між нуклонами немає сил відштовхування.
Різні типи атомних ядер відрізняються один від одного кількістю протонів і нейтронів, що в них містяться. Сумарну кількість нуклонів в атомі називають масовим (нуклонним) числом і позначають символом А. Маса атома зі знаною точністю збігається з масою ядра, оскільки маса електрона набагато менша за масу нуклона.
Кількість протонів у ядрі називають протонним (зарядовим) числом і позначають символом Z. Протонне число легко визначити, скориставшись Періодичною системою хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Порядковий номер елемента в періодичній таблиці відповідає кількості протонів у його ядрі.
Щоб визначити кількість нейтронів N

Для позначення ядра атома хімічного елемента перед символом елемента вгорі вказують нуклонне число А, а внизу – протонне число Z.
Однією з основних характеристик атомного ядра – електричний заряд. До складу атома входить протон – ядра атомів найлегшого ізотопу Гідрогену. Відкриття наявності ще однієї частинки, яка входить до складу атома, було відкрито набагато пізніше, через 12 років. Цією частинкою виявився нейтрон – виявив Резерфорд при проведенні досліду з вивчення властивостей випромінювання, що виникає внаслідок опромінення Берилію  - частинками.
Ізотопи – атоми того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів.
Ядерні сили
Ядерні сили є найбільш потужними серед чотирьох відомих на сьогодні взаємодій: гравітаційної, слабкої, електромагнітної та сильної.
Основні властивості:
- Коткотривалі сили
- Дуже потужні
- Є силами притягання
- Діють між будь-якими нуклонами
- Властивість насичення – полягає в тому, що нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів сусідів.

Тема урока: Поглинання та випромінювання світла атомом. Атомний і молекулярний спектри. Спектральний аналіз та його застосування. 

⦁ Лінійчасті спектри випромінювання газів
Численні дослідження довели, що внаслідок нагрівання до високої температури пари будь-якої хімічної речовини випромінюють світло, вузький пучок якого призма розкладає на кілька пучків.
Лінійчасті спектри — оптичні спектри випущення й поглинання, що складаються з окремих спектральних ліній.

Лінійчастий спектр випущення будь-якого конкретного хімічного елемента не збігається зі спектром випущення інших хімічних елементів і, відповідно, є «візитною карткою» елемента.
 Відбувається й зворотне явище: у випадку пропускання білого світла через пару речовини спостерігається виникнення темних ліній на тлі суцільного спектра. Темні лінії розташовані точно в тих місцях, де спостерігають лінії спектра випускання цього хімічного елемента. Такий спектр називається лінійчастим спектром поглинання.
Виходячи з постулатів Бора, можна пояснити процес поглинання і випромінювання енергії атомами. Якщо атом поглинає енергію, то при цьому він переходить у збуджений стан. Його електрон може підніматися на вищу орбіту. Якщо існують вакансії для електрона ближче до ядра, то з часом електрон займає їх, переходячи на більш низький енергетичний рівень. Енергія, яка при цьому вивільняється, випромінюється атомом у вигляді кванта світла.
Якщо світло випромінюють розріджені гази, то атоми газу знаходяться так далеко один від одного, що не чинять ніякого впливу на випромінювання сусідніх атомів, і у спектрі такого джерела будуть спостерігатись лише певні лінії. Так виникають лінійчасті спектри.
⦁ Молекулярні спектри випромінювання (смугасті спектри)
Спектр молекули складається з великої кількості окремих ліній, що зливаються в смуги, чіткі з одного краю й розмиті з іншого. На відміну від лінійчастих спектрів, смугасті спектри створюють не атоми, а молекули, не зв’язані або слабко зв’язані одна з одною. Серії дуже близьких ліній групуються на окремих ділянках спектра й заповнюють цілі смуги.
⦁ Суцільний спектр.
Якщо світло випромінюють тверді тіла, рідини чи дуже сильно стиснені гази, то на випромінювання кожного з атомів суттєво впливають сусідні атоми. Унаслідок цього можна спостерігати розмивання ліній в спектрі випромінювання і плавний перехід від одного кольору до іншого. Так виглядає суцільний спектр.
⦁ Спектральний аналіз.
Лінійчастий спектр кожного хімічного елемента є індивідуальним. Цю властивість використовують для спектрального аналізу сполук, оскільки кожний атом цього елемента в його складі випромінює свої лінії, які не зливаються з лініями інших елементів. Цю речовину обов'язково потрібно перевести в газоподібний стан і дуже нагріти, щоб вона світилась. Прилади, які використовують для спектрального аналізу, називають спектрографами.
Спектральний аналіз має низку переваг і є одним із найбільш чутливих методів дослідження речовин:
· сама речовина не потрібна, потрібне лише випромінювання від неї.
· для проведення досліду потребує дуже мало часу;
· для досліду потрібна дуже мала маса речовини.

Тема уроку: Рентгенівське випромінювання.

На початку 80-х років XIX ст. український фізик І. Пулюй провів серію експериментів із газорозрядними трубками власної конструкції. У праці “Промениста електродна матерія” (1880-1882) він описав і подав схему так званої рентгенівської трубки, що являла собою скляну трубку, всередині якої містилася під кутом слюдяна пластинка, вкрита сірчаним кальцієм; під пластиною розміщувався алюмінієвий диск, що відігравав роль катода. Пулюй використовував цю трубку як флуоресцентну трубку, але вона була потужним джерелом X-променів. Зазначимо, що цю трубку Пулюй сконструював у 1882 р.

Мал. 200

У 1896 р. німецький вчений В. Рентген видав свою першу працю “Попереднє повідомлення”, де подав 17 тез про Х-промені. До відкриття Рентгена трубками Пулюя користувалися фізики, але, на жаль, не було публікацій про виявлення за їх допомогою цих таємничих Х-променів. Згодом вони отримали назву – рентгенівське випромінювання. І. Пулюй стверджував про існування невидимих променів і наводив їх властивості, а саме, що вони виникають на стінках скляної трубки, куди потрапляють катодні промені; не заломлюються у призмах із різних матеріалів; не відхиляються магнітним полем.

Того ж року на місяць пізніше Пулюй публікує статті “Про походження рентгенівських променів та їх фотографічну дію”, а також “Додаток до праці “Про походження рентгенівських променів та їх фотографічну дію”. У цих двох працях Пулюй наводить важливі експериментальні дані, яких не можна було отримати за місяць після публікацій Рентгена. Цей факт свідчить про невтомну попередню багаторічну працю українського вченого у даній галузі досліджень. Пулюй першим встановив, що Х-промені викликають йонізацію газів, подав пояснення природи Х-променів, за допомогою власноручно сконструйованих газорозрядних трубок першим отримав знімки скелета людини.

Проводячи досліди з вакуумними двохелектродними трубками, в яких площина анода (А) не паралельна площині катода (К) (мал. 200), Рентген виявив, що, коли до електродів прикладена висока напруга, навпроти катода трубки спостерігається ряд явищ, які можна пояснити лише дією деякого нового (для того часу) випромінювання: свічення скла, потемніння розчину хлористого срібла, йонізація повітря тощо. Джерелом рентгенівського випромінювання виявився анод вакуумної двохелектродної трубки.

Відразу звернула на себе увагу проникна здатність рентгенівського випромінювання. Воно викликало згадані явища навіть у тому випадку, коли трубка екранувалася чорним папером, картоном та іншими матеріалами.

Поглинання рентгенівських променів речовиною виявилося залежним від густини речовини. Чим більша її густина, тим сильніше вона поглинає рентгенівські промені. Зокрема, м’які тканини організму людини поглинають рентгенівські промені слабше, ніж кістки. Це дозволило Рентгену зробити перший знімок кисті руки у відкритих їм невидимих променях (мал. 201).

На мал. 202 схематично показано пристрій сучасної рентгенівської трубки. У вакуумній трубці розташовані електроди: підігрівний катод і антикатод. Поверхня антикатода скошена, не паралельна поверхні катода. Катод приєднують до негативного, а антикатод до позитивного полюса джерела високої напруги. При цьому поверхня антикатода випускає пучок рентгенівських променів. Напрям випромінювання перпендикулярний до поверхні антикатода.

Природа рентгенівського випромінювання залишалася нез’ясованою до 1906 p., до того часу, поки не було відкрито його поляризацію. Пізніше, у 1912 p., німецькому фізикові М. Лaye вдалося виявити дифракцію рентгенівського випромінювання. Схема досліду Лaye наведена на мал. 203, а. Пучок рентгенівського випромінювання, виділеного діафрагмами D1 і

Мал. 201

Мал. 202

D2, проходячи крізь монокристал К, потрапляє на екран Е. На екрані спостерігається картина, зображена на мал. 203, б, яка отримала назву – лауеграма. Лауеграма нагадує дифракційну картину, яка спостерігалася при проходженні світла крізь дві схрещені (паралельно одна одній, але так, щоб їх щілини були взаємно перпендикулярні) дифракційні гратки.

Утворення лауеграми можна пояснити таким чином. Монокристал являє собою для рентгенівських променів своєрідні дифракційні гратки. Вузли кристалічної гратки слугують перешкодами, а міжвузловини залишаються прозорими. Рентгенівське випромінювання дифрагує на кристалічній гратці і утворює дифракційні максимуми і мінімуми. Таким чином було встановлено, що рентгенівське випромінювання має хвильову природу. Відкриття поляризації рентгенівського випромінювання вказувало на те, що рентгенівське випромінювання – це поперечні хвилі. Дослідження інших властивостей цього випромінювання підтвердило, що воно має електромагнітну природу. Рентгенівські промені виявилися електромагнітним випромінюванням, подібним до світлового, але зі значно меншою довжиною хвилі.

Мал. 203

Мал. 204

Вивчення дифракційних картин дозволило виміряти довжину хвилі рентгенівського випромінювання. Виявилось, що вона охоплює інтервал від 10-14 до 10-7 м.

Дослідження показали, що рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні речовиною антикатода швидких електронів, що випускаються катодом і розганяються електричним полем. При гальмуванні електронів їх кінетична енергія перетворюється на енергію випромінювання. Тому таке випромінювання називають гальмівним. Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним (мал. 204). З боку малих довжин хвиль він має різку межу.

Положення цієї межі залежить від прискорюючої напруги, тобто від енергії електронів: чим більша енергія електронів, тим менша відповідно до цієї межі довжина хвилі. Існування короткохвильової межі для гальмівного рентгенівського випромінювання легко пояснити, якщо допустити, що рентгенівське випромінювання, як і світлове, має квантовий характер, і енергія одного фотона Е = hv визначається кінетичною енергією Ek – eU одного електрона. При такому припущенні eU = hvmax, звідки

Оскільки

То

Отримана формула виключно точно підтверджена експериментально, що доводить правильність припущення про квантовий характер рентгенівського випромінювання.

Крім того, оскільки λmin і U можна дуже точно виміряти на досліді, а значення швидкості поширення світла і заряду електрона були з високою точністю визначені за допомогою спеціальних експериментів, цю формулу часто викоhистовують для визначення сталої Планка:

Всім відоме використання рентгенівського випромінювання для отримання знімків окремих органів людини з метою визначення захворювань органів людини, переломів кісток (рентгенодіагностика). Використовують рентгенівські промені також і для лікування злоякісних пухлин (рентгенотерапія). Проблеми використання λ-променів у медицині досліджував український вчений М. Пильчиков, який одним із перших почав застосовувати Х-промені для потреб медицини (просвічування та діагностики захворювань). Цікаво те, що у своїх дослідах Пильчиков використовував трубку Пулюя, вдосконаливши її. М. Пильчиков провів в Україні перші дослідження проблеми радіоактивності.

У техніці рентгенівськими променями просвічують деталі машин з метою виявлення в них можливих дефектів.

Виключно велике значення рентгенівського випромінювання для вивчення будови кристалів. Саме дифракційна картина, що утворюється при проходженні рентгенівських променів крізь кристали, містить найповнішу інформацію про їх будову. За дифракційною картиною визначені основні константи кристалічних граток.

У 1971 р. була виявлена зірка, що дає електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні. На сьогодні у Всесвіті вже виявлено понад 200 джерел рентгенівського випромінювання, крім того, існує так зване фонове рентгенівське випромінювання, що приходить на Землю з усіх ділянок неба. Космічне рентгенівське випромінювання несе цікаву і нову інформацію про процеси у Всесвіті.

Тема уроку: Фізичні основи ядерної енергетики. Енергія зв`язку атомного ядра.

1. Ланцюгові реакції розподілу

Атомні ядра, що містять значну кількість нуклонів, нестійкі й можуть розпадатися. 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Франц Штрассман спостерігали ділення ядра Урану 235U92 під дією повільних нейтронів. Використання саме нейтронів для ділення ядер обумовлено їх електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує нестійку стабільність ядра, обумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування і ядерного притягання. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо 23692U* ), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. їх взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу 23692U*, тобто до його ділення на ядра меншої маси, названі осколками ділення. Причому найбільш імовірним виявляється ділення на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2:3. Більшість великих осколків мають масове число А в межах 135-145, а дрібні — від 90 до 100. У результаті реакції ділення ядра Урану 235U92 утворюються два або три нейтрони. Одна з можливих реакцій ділення ядра Урану відбувається за схемою:

Ця реакція протікає з утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:

Діленням ядра називається ядерна реакція ділення важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, названі осколками ділення.

Оскільки маса спокою важкого ядра більша від суми мас спокою осколків, що виникають під час ділення, то через це відбувається виділення енергії, еквівалентної зменшенню маси спокою.

Енергія, що виділяється під час ділення ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Значна кінетична енергія, яку мають осколки, виникає внаслідок їх кулонівського відштовхування. У разі повного ділення всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється під час згоряння 2,5 т нафти.

Кожний з нейтронів, що вилітає з ядра під час ділення, може, у свою чергу, спричиняти ділення сусіднього ядра, що також випускає нейтрони, здатні зумовити подальше ділення. У результаті число ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.

Ø  Реакція, у якій кількість ядер, що діляться, збільшується з часом або залишається постійною, називається ланцюговою ядерною реакцією.

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час ділення одного ядра N нейтрони можуть зумовлювати ділення N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, які спричинять ділення N2 ядер, і т. ін. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, наростає в геометричній прогресії.

Загалом процес має лавиноподібний характер, відбувається досить швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

2. Керована ланцюгова ядерна реакція

Швидкість ланцюгової реакції ділення ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення числа нейтронів на певному етапі ланцюгової реакції до їх числа в попередньому етапі.

·       Якщо k > 1, то кількість нейтронів збільшується із часом або залишається постійною і ланцюгова реакція відбувається.

·       Якщо k < 1, то число нейтронів зменшується й ланцюгова реакція неможлива.

·       При k = 1 реакція протікає стаціонарно: кількість нейтронів зберігається незмінною. Цю рівність необхідно підтримувати з високою точністю. Уже при k = 1,01 майже миттєво відбудеться вибух.

Число нейтронів, що утворюються під час ділення ядер, залежить від об’єму уранового середовища. Чим більший цей об’єм, тим більше число нейтронів виділяється під час ділення ядер. Починаючи з деякого мінімального критичного об’єму урану, що має певну критичну масу, реакція ділення ядер стає самопідтримувальною.

3. Ядерний реактор

Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі.

Ø  Ядерним реактором називається пристрій, у якому здійснюється й підтримується керована ланцюгова реакція ділення деяких важких ядер.

Основними елементами ядерного реактора є:

·       ядерне пальне (уран 235, уран 238, плутоній 239);

·       сповільнювач нейтронів (важка вода, графіт та ін.);

·       теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора:

ü  вода;

ü  рідкий натрій та ін.;

·       регулювальні стрижні (бор, кадмій), які сильно поглинають нейтрони;

·       захисна оболонка, що затримує випромінювання (бетон із залізним наповнювачем).

Ядерне паливо розміщується в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, названих тепловидільними елементами (TBEЛ). Твели призначені для регулювання потужності реактора. Маса кожного паливного стрижня значно менша від критичної, тому в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона починається після занурення в активну зону всіх уранових стрижнів.

Активна зона оточена шаром речовини, що відбиває нейтрони (відбивач), і захисною оболонкою з бетону, що затримує нейтрони й інші частинки.

Відвід тепла від паливних елементів здійснює теплоносій — вода. Вона обмиває стрижень, нагрітий до 300 °С за високого тиску, надходить у теплообмінники. У теплообміннику вода, нагріта до 300 °С , віддає тепло звичайній воді, яка в свою чергу перетворюється на пару.

Керування реактором здійснюється за допомогою стрижнів, що містять кадмій або бор. За висунутих з активної зони реактора стрижнів k>l, а за повністю уведених — k < 1. Уводячи стрижні усередину активної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Керування ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.

4. Реактор на повільних і швидких нейтронах

Найбільш ефективне ділення ядер Урану-235 відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називаються реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, що утворюються в результаті реакції розподіли, є швидкими. Для того щоб їхня дальша взаємодія з ядрами Урану-235 у ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх сповільнюють, уводячи в активну зону сповільнювач — речовину, що зменшує кінетичну енергію нейтронів.

Реактори на швидких нейтронах не можуть працювати на природному урані. Реакцію можна підтримувати лише в збагаченій суміші, що містить не менше 15 % ізотопу Урану. Перевага реакторів на швидких нейтронах у тому, що під час їх роботи утворюється значна кількість плутонію, який потім можна використати як ядерне паливо.

5. Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер в електричну енергію

Ø  Ядерний реактор є основним елементом атомної електростанції (АЕС), що перетворює теплову ядерну енергію в електричну.

Перетворення енергії відбувається за такою схемою: внутрішня енергія ядер Урану — кінетична енергія нейтронів і осколків ядер — внутрішня енергія води — внутрішня енергія пари — кінетична енергія пари — кінетична енергія ротора турбіни й ротора генератора — електрична енергія.

Залежно від призначення ядерні реактори бувають енергетичні, конвертори й розмножувачі, дослідницькі й багатоцільові, транспортні й промислові.

Ядерні енергетичні реактори використовують для вироблення електроенергії на атомних електростанціях, у суднових енергетичних установках, атомних теплоелектроцентралях, а також на атомних станціях теплопостачання.

Реактори, призначені для виробництва вторинного ядерного палива із природного урану й торію, називаються конверторами або розмножувачами. У реакторі-конверторі вторинного ядерного палива утворюється менше від первинно витраченого. У реакторі-розмножувачі здійснюється розширене відтворення ядерного палива, тобто його одержують більше, ніж було витрачено.

Дослідницькі реактори використовують для досліджень процесів взаємодії нейтронів з речовиною, вивчення поводження реакторних матеріалів в інтенсивних полях нейтронного й гамма- випромінювань, радіохімічних у біологічних досліджень, виробництва ізотопів, експериментального дослідження фізики ядерних реакторів.

6. Що характеризує міцність ядер?

Ядерні сили — найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день. Вони не тільки майже повністю пригнічують взаємну антипатію протонів, що на таких малих відстанях досить значна, але й зв’язують їх у винятково міцну родину.

Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користуються одним універсальним поняттям, придатним для будь-яких тіл, молекул, атомів і ядер, — енергією зв'язку.

Про міцність того або іншого утворення судять за тим, наскільки легко або складно зруйнувати його: чим складніше його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро — це означає розірвати зв’язки між його нуклонами або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв’язку між ними.

Ø  Енергію зв'язку визначає величина тієї роботи, яку потрібно виконати для розщеплення ядра на його складові — нуклони.

Значення енергії зв’язку ядра дуже складно обчислити теоретично, однак тут на допомогу приходить відкрите Ейнштейном співвідношення між масою й енергією:

Ø  тіло масою m, що перебуває у спокої, має енергію Е = mс2, де с — швидкість світла.

Якщо енергія тіла змінюється на ΔЕ, то маса цього тіла змінюється на 

7. Дефект мас

Виміри мас ядер показують, що маса спокою ядра Мя менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів:

Різниця  називається дефектом мас. Дефект мас є мірою енергії зв’язку атомного ядра. Якщо ΔЕсв — енергія зв’язку ядра, що виділяється під час його утворення, то відповідна їй маса  характеризує зменшення сумарної маси всіх нуклонів під час утворення ядра. Отже: 

Про те, наскільки велика енергія зв’язку, можна судити за таким прикладом: утворення 4 г гелію супроводжується виділенням такої ж енергії, що й під час згоряння 1,5-2 вагонів кам’яного вугілля.

8. Питома енергія зв'язку

Чим більше протонів у ядрі, тобто чим більше заряд Ze ядра, тим сильніше кулонівське відштовхування між протонами. Тому, щоб вони не розліталися під дією кулонівських сил, для стабілізації ядра потрібне більше число нейтронів.

Для характеристики міцності ядер зазвичай беруть енергію зв’язку, що припадає на один нуклон.

Ø  Енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку.

За малих Z число нейтронів N = Z, а за більших Z (у ядрах важких елементів) навіть значне число нейтронів у ядрі (N ≈ 1,6Z) уже не може перешкоджати його розпаду. Останнім стабільним ядром, що має максимальне число протонів, є свинець (Z = 82).

9. Реакції синтезу

Питома енергія зв’язку була виміряна експериментально практично для всіх ядер. Із графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа ядра випливає, що ядро Гелію 42Не є особливо стабільним: воно характеризується значно більшою питомою енергією зв’язку, ніж легші ядра ізотопів Гідрогену Дейтерію 2Н1 й Тритію 3Н1 (вони містять, відповідно, 2 і 3 нейтрони). Звідси випливає, що утворення ядер Гелію з ядер цих ізотопів Гідрогену, наприклад, під час виконання реакції  є енергетично дуже вигідним, тобто при цьому виділяється більша енергія.

Ø  Утворення ядра з менш масивних ядер називається реакцією синтезу.

Описана реакція синтезу стає можливою, коли ядра дейтерію й тритію зближаються на дуже малу відстань — таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили. Але оскільки ядра заряджені однойменно, між ними діє сила електричного відштовхування. Щоб подолати дію цієї сили, ядра, що зіштовхуються, повинні мати значну кінетичну енергію, а це означає, що для здійснення реакції синтезу необхідна дуже висока температура — десятки мільйонів градусів. Тому ядерні реакції синтезу називають часто термоядерними.

10. Реакції ділення

Із графіка залежності питомої енергії зв’язку видно, що найбільш стабільними є ядра з масовими числами від 50 до 60, оскільки для цих ядер енергія зв’язку максимальна. Це ядра заліза й близьких до нього (за масовим числом) ядер.

Ø  Розщеплення ядра на менш масивні ядра називається реакцією ділення.

Отже, розщеплення (розподіл) важких ядер, коли продуктами реакції є ядра елементів із середини таблиці Менделєєва, є енергетично вигідним: при цьому виділяється енергія.

25.03.2020р.

Тема: Способи вивільнення ядерної енергії: синтез легких та поділ важких ядер.

Поділ ядер Урану.
Атомні ядра, які містять велику кількість нуклонів, нестійкі й можуть
розпадатися. У 1938 році німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман спостерігали
поділ ядра Урану під дією повільних нейтронів. Використання саме нейтронів для поділу ядер зумовлене їхньою електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує слабку стабільність ядра, зумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування та ядерного притягання. Ті просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо ), які виникають, є нестікими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. їхнє взаємне відштовхування приводить до штучної радіоактивності ізотопу * , тобто до його поділу на ядра меншої маси, які називаються осколками поділу. Причому найбільш імовірним виявляється поділ на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2:3 . Більшість великих осколків має масове число. А в межах 135—145, а дрібні —від 90 до 100. У результаті реакції поділу ядра Урану утворюються два або три нейтрони. Одна з можливих реакцій поділу ядра Урану проходить за схемою:

Ця реакція проходить із утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів. 

Поділом ядра називається ядерна реакція поділу важкого ядра, збудженого захопленням нейтрона, на дві приблизно рівні частини, які називаються осколками поділу.

Оскільки маса спокою важкого ядра більша за суму мас спокою осколків, які виникають під час поділу, то це спричиняє виділення енергії, еквівалентної зменшенню маси спокою.

Енергія, що виділяється під час поділу ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають осколки, виникає внаслідок їхнього кулонівського відштовхування. У разі повного поділу всіх ядер, які є в 1 г урану, виділяється стільки ж енергії, скільки і під час згоряння 2,5 т нафти.

Механізм поділу. Процес поділу атомного ядра можна пояснити на основі краплинної моделі ядра. Згідно із цією моделлю згусток нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядерні сили між нуклонами є короткодіючими, подібно до сил, які діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили утримують ядро від розпаду.

Ядро Ураиу-235 має форму кулі. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми. Ядро розтягується доти, доки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не починають переважати над силами притягання, які діють у перешийку. Після цього ядро розривається на дві частини. Під дією кулонівських сил відштовхування ці осколки розлітаються зі швидкістю, яка дорівнює 1/30 швидкості світла.

Ланцюгова реакція поділу. Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра
в процесі поділу, може у свою чергу викликати поділ сусіднього ядра, яке
також випускає нейтрони, здатні викликати подальший поділ. У результаті кількість ядер, які діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція.

Ланцюговою ядерною реакцією називається реакція, у якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції.

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені під час поділу одного ядра N нейтронів можуть викликати поділ N ядер, у результаті чого буде випущено N2 нових нейтронів, які викличуть поділ N2 ядер, і т. д. Отже, кількість нейтронів, які народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. У цілому процес носить лавоподібний характер, проходить досить швидко й супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Швидкість ланцюгової реакції. Критична маса. Швидкість ланцюгової
реакції поділу ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k — відношення кількості нейтронів на даному етапі ланцюгової реакції до їхньої кількості на попередньому етапі.

Якщо k > 1 , то кількість нейтронів збільшується з часом або залишається сталим і ланцюгова реакція йде.

Якщо k < 1, то кількість нейтронів зменшується і ланцюгова реакція неможлива.

Якщо k =1, то реакція проходить стаціонарно: кількість нейтронів лишається незмінною. Цю рівність необхідно підтримувати з великою точністю. Уже в тому випадку, коли k = 1,01, майже миттєво відбудеться вибух.

Кількість нейтронів, які утворюються під час поділу ядер, залежить від об'єму уранового середовища. Чим більший цей об'єм, тим більша кількість нейтронів виділяється під час поділу ядер. Починаючи з деякого мінімального критичного об'єму Урану, який має певну критичну масу, реакція поділу ядер стає самопідтримувальною.

Дуже важливим фактором, який впливає на хід ядерної реакції, є наявність сповільнювача нейтронів. Справа в тому, що ядра Урану-235 діляться під дією повільних нейтронів. А під час поділу ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони сповільнити, то значна їх частина захопиться ядрами Урану-235 з подальшим поділом цих ядер. Графіт, вода, важка вода та деякі інші речовини використовуються як сповільнювачі нейтронів.

Для чистого Урану . ядро якого має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50 кг. При цьому радіус кулі становить приблизно 9 см. Застосовуючи сповільнювач нейтронів і оболонку з Берилію, яка відбиває нейтрони, вдалося знизити критичну масу до 250 г.

Основні елементи ядерного реактора.

Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергія в результаті керованої ланцюгової реакції поділу ядер.

Уперше керована ланцюгова реакція поділу ядер Урану була здійснена 1942 року в США під керівництвом італійського фізика Е. Фермі. Ланцюгова реакція з коефіцієнтом розмноження нейтронів k = 1,0006 тривала протягом 28 хвилин, після чого реактор зупинили.

Головними елементами ядерного реактора є: 

- ядерне пальне (, , );

- сповільнювач нейтронів (важка вода, графіт тощо);

- теплоносій для виведення енергії, що утворюється під час роботи реактора (вода, рідкий натрій та ін.);

- пристрій для регулювання швидкості реакції (стрижні, які вводяться в робочий простір реактора та містять речовини, що добре поглинають нейтрони).

Ядерне пальне розміщене в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, які називаються тепловиділяючими елементами (ТВЕЛ). ТВЕЛи призначені для регулювання потужності реактора.

Маса кожного паливного стрижня значно менша за критичну, тому в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона починається після занурення в активну зону всіх уранових стрижнів.

Активна зона оточена шаром речовини, яка відбиває нейтрони (відбивач), і захисною оболонкою з бетону, котрий затримує нейтрони й інші частинки.

Керування реактором здійснюється за допомогою стрижнів, які містять кадмій чи бор. Коли стрижні виведені з активної зони реактора, k > 1, а коли повністю введені — k < 1. Вводячи стрижні всередину активної зони, можна в будь-який момент часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Керування ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.

Реактор на повільних нейтронах. Найбільш ефективний поділ ядер Урану відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називаються реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, які утворюються в результаті реакції поділу, є швидкими. Для того щоб їхня наступна взаємодія з ядрами Урану в ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх сповільнюють, вводячи в активну зону сповільнювач — речовину, яка зменшує кінетичну енергію нейтронів.

Реактор на швидких нейтронах. Оскільки ймовірність поділу, викликаного швидкими нейтронами, мала, то реактори на швидких нейтронах не можуть працювати на природному урані. Реакцію можна підтримувати лише в збагаченій суміші, яка містить не менше ніж 15 % ізотопу . Перевага реакторів на швидких нейтронах у тому, що під час їхньої роботи утворюється значна кількість Плутонію , який потім можна використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами-розмножувачами, оскільки вони відтворюють матеріал, який ділиться.

Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну енергію. Ядерний реактор є основним елементом атомної електростанції (АЕС), яка перетворює теплову ядерну енергію на електричну. У результаті поділу ядер у реакторі виділяється теплова енергія. Ця енергія перетворюється на енергію пари, яка обертає парову турбіну. Парова турбіна, у свою чергу, обертає ротор генератора, котрий виробляє електричний струм.

Таким чином, перетворення енергії відбувається за такою схемою: внутрішня енергія ядер Урану —> кінетична енергія нейтронів і осколків ядер -» внутрішня енергія води —> внутрішня енергія пари -» кінетична енергія пари —> кінетична енергія ротора турбіни та ротора генератора -» електрична енергія.

З кожним актом поділу виділяється близько 3,2 1011 Дж енергії. Тоді потужності 3000 МВт відповідає приблизно 1018 актів поділу за секунду. Під час поділу ядер стінки ТВЕЛів сильно нагріваються. Відведення тепла з активної зони здійснюється теплоносієм — водою. У потужних реакторах зона нагрівається до температури 300°С . Щоб уникнути закипання, воду виводять з активної зони в теплообмінний пристрій під тиском порядку 107 Па. У теплообміннику радіоактивна вода (теплоносій), яка циркулює в першому контурі, віддає тепло звичайній воді, що циркулює в другому контурі. Передане тепло перетворює воду в другому контурі на пару. Ця пара з температурою близько 230°С під тиском 3 106 Па направляється на лопатки парової турбіни, а вона обертає ротор генератора електричної енергії.

01.04.2020р

Тема: Період напіврозпаду. Отримання й застосування. Дозиметрія. Дози опромінення. Радіоактивний захист людини.

Отримання й застосування радіонуклідів.

Радіонуклі́д — атом з нестійким ядром, що характеризується додатковою енергією, яка доступна для передачі до створеної радіаційної частинки, або до одного з електронів атома в процесі внутрішньої конверсії. При вивільненні енергії радіонуклід проходить через процес радіоактивного розпаду, і зазвичай випускає один або більше фотонів, гамма-променів, або субатомні частинки. Ці частинки складають іонізуюче випромінювання. Радіонукліди утворюються в природних умовах, але також можуть бути отримані штучно при бомбардуванні стабільного елемента нейтронами в ядерному реакторі.

Радіонукліди часто також називаються радіоактивними ізотопами або радіоізотопами. Вони використовуються в атомній енергетиці, промисловості, медицині, сільському господарстві і грають важливу роль в дослідженнях з фізики, хімії та біології. Проте, вони можуть представляти собою значну небезпеку через руйнівний вплив іонізуючого випромінювання на живі організми.

Оскільки бета-розпад будь-якого типу не змінює масове число A ізотопу, серед ізотопів з однаковим значенням масового числа (ізобар) існує як мінімум один бета-стабільний ізотоп, що відповідає мінімуму на залежності надлишку маси атома від заряду ядра Z при даному A; бета-розпади відбуваються у напрямку до цього мінімуму. Зазвичай для ізотопів з непарним A такий мінімум один, тоді як для парних значень A бета-стабільних ізотопів може бути 2 і навіть 3. Легкі бета-стабільні ізотопи стабільні також і по відношенню до інших видів радіоактивного розпаду і, таким чином, є абсолютно стабільними (якщо не брати до уваги досі ніким не виявлений розпад протона, який пророкували численні сучасні теорії Стандартної Моделі). Починаючи з А = 36 на парних ізобаричних ланцюжках з'являється другий мінімум. Бета-стабільні ядра в локальних мінімумах ізобаричних ланцюжків здатні відчувати подвійний бета-розпад в глобальних мінімумах ланцюжка, хоча періоди напіврозпаду по цьому каналу дуже великі (1019 років і більше). Важкі бета-стабільні ядра можуть відчувати альфа-розпад (починаючи з A ≈ 140), кластерний розпад і спонтанне ділення.

Радіохімічний аналіз (рос. радиохимический анализ, англ. radiochemical analysis; нім. radiochemische Analyse f) – сукупність якісних і кількісних методів визначення радіонуклідів у природних і штучних об’єктах.

Базується на принципах і методах аналітичної хімії (осадження, екстракції, хроматографії, дистиляції).

Використовується при виділенні і дослідженні властивостей радіоактивних елементів та ізотопів; визначенні вмісту і встановленні закономірностей поведінки штучних і природних радіонуклідів; в радіогеології і геохімії, а також при нейтронно-активаційному визначенні малих кількостей елементів у надчистих матеріалах, рудах і концентратах, мікроелементів в атмосфері, природних водах, ґрунтах, рослинах і біол. об’єктах.

У радіогеології і геохімії використовують для розділення і визначення ізотопного складу важких природних радіоелементів в гірських породах і донних осадах, визначення вмісту в породах, мінералах і рудах 20–40 хімічних елементів (рідкісноземельних, платинових, рідкісних, розсіяних і ін.).

Радіоактивні ряди, Радіоактивні родини (рос. радиоактивные ряды, англ. radioactive series, нім. radioaktive Reihen f pl) – групи радіонуклідів (радіоактивних ізотопів), в яких кожний наступний ізотоп виникає внаслідок α- або β-розпаду попереднього. Відомі чотири Р.р.: 238U → 206Pb, 232Th → 208Pb, 235U → 207Pb, 237Np → 209Bi.

Кожний ряд має свого родоначальника – нуклід з найбільшим періодом напіврозпаду, і завершується стабільним нуклідом. Перші три ряди існують у природі, останній одержаний штучно. У земній корі присутні всі члени природних Р.р. Але чим менший період напіврозпаду певного члена природного Р.р., тим менший його вміст у земній корі. Наприклад, на 1 т урану в природних умовах припадає близько 0,34 г 226Ra (Т1/2 = 1600 років) і тільки 1,4•10-9 років 218Ро (Т1/2 = 3,05 хв).

Активності тих членів ряду, шлях до яких від батьківського ізотопу не проходить через розгалуження, при настанні вікової рівноваги рівні. Так, активність радію-224 в торієвих зразках через кілька десятків років після виготовлення стає практично рівною активності торію-232, тоді як активність талію-208 (утворюється в цьому ж ряду при α-розпаді вісмуту-212 з коефіцієнтом розгалуження 0,3594) прагне до 35,94% від активності торію-232. Характерний час приходу до вікового рівноваги в ряді одно декількох періодів напіврозпаду найбільш долгоживущего (серед дочірніх) члена сімейства. Вікове рівновагу в ряду торію настає досить швидко, за десятки років, тому що періоди напіврозпаду всіх членів ряду (крім батьківського нукліда) не перевищують декількох років (максимальний період напіврозпаду T1/2=5,7 лет — у радия-228). У ряду урану-235 рівновага відновлюється приблизно за сто тисяч років (найбільш довгоживучий дочірній член ряду - протактиний-231, T1/2=32760 лет), в ряду урану-238 - приблизно за мільйон років (визначається ураном-234, T1/2=245500 лет).

I. Закріплення нових знань та умінь.

Розв’язування задач.

-          Активність радіоактивного ізотопу зменшилася за 8 діб в 4 рази. Об­числіть період напіврозпаду елемента.

-          Число протонів і число нейтронів у ядрі ізотопу бору відповідно дорівнює

   А 5 нейтронів, 6 протонів     В 6 протонів, 11 нейтронів

   Б 11 протонів, 5 нейтронів     Г 5 протонів, 6 нейтронів.




06.04.2020р

Тема: Класифікація елементарних частинок. Кварки. Космічне випромінювання.

Мозковий штурм.
1.Назвіть прізвище вченого, який відкрив протон
А - Г.Д. Чедвік                  Б – В.А,Беккерель

В – Б.Е.Резерфорд         Д – П.Л.Капіца

2.Назвіть прізвище вченого, який відкрив нейтрон, електрон
А - Г.Д. Чедвік                    Б – В.А,Беккерель
В – Б.Е.Резерфорд            Д – П.Л.Капіца

3.Установіть відповідність між:
А – газорозрядний лічильник 1іонізуюча та хімічна дія випромінювання
Гейгера 2 конденсація 4 - іонізація
Б – камера Д. Глейзера 3 випаровування 5- плавлення
В – метод Л.В. Мисовського та О.П. Жданова
Г – камера Вільсона
Відповідь: (А- 4; Б- 3;В -1; Г – 2)
4.Що собою являє магнітне поле?
5. Як визначити напрямок магнітного поля?
6. Як зміниться траєкторія руху зарядженої частинки що влітає в магнітне поле?
7. Охарактеризуйте частинки: електрон, протон, нейтрон ,фотон.

На наших попередніх уроках ми знайомилися з відкриттями відомих вчених-фізиків, з історією дослідження атома та атомного ядра, а сьогодні на уроці, продовжуючи вивчати ядерну фізику, ми прослідкуємо за сучасними дослідженнями у фізиці елементарних частинок, їх класифікацію і вивчимо їх фі¬зичні характеристики.

План вивчення нової теми
•Фізика елементарних частинок
• Властивості елементарних частинок
• Класифікація елементарних частинок
• Види взаємодій у природі

Фізика елементарних частинок:
∙ визначає характеристики елементарних частинок;
∙ проводить класифікацію елементарних частинок;
∙ вивчає властивості фундаментальних взаємодій;
∙ аналізує перетворення частинок;
∙ вивчає внутрішню структуру елементарних частинок

Основні частинки, що існують в природі у вільному або слабкозв’язаному стані:
∙ протон;
∙ електрон;
∙ нейтрон;
∙ фотон;
∙ електронненейтріно;
∙ електроннеантинейтріно;
∙ піони або π – мезони ( π + , π 0 , π - )
∙ Основні властивості елементарних частинок:
∙ більшість – нестабільні (стабільні : фотон, електрон, протон,нейтрон);
∙ взаємодія та взаємне перетворення;
∙ існування античастинок;
∙ складна будова більшості частинок

Експериментальні методи дослідження елементарних частинок:
∙ прискорювачі;
∙ камера Вільсона;
∙ сцинтиляційні лічильники;
∙ лічильник Гейгера– Мюллера;
∙ фотоемульсії;
∙ бульбашкова камера

Маса частинки та античастинки однакова, заряди однакові за модулем та протилежні за знаком. Античастинка електрона – позитрон, а не протон

Види взаємодій у природі

Вид взаємодії Квант поля Радіус дії Відносна інтенсивність Прояв
Ядерне (сильне) Піони
Каони м
1 Стійкість атомних ядер
Електромагнітне Фотони ∞ 1/137 Стійкість атомів, молекул, макроскопічних тіл
Слабке Бозони м
Нестабільність елементарних частинок
гравітаційне Гравітони
(гіпотеза) ∞ Стійкість зір, планетних систем

Види взаємодій у природі

Вид взаємодії Квант поля Радіус дії Відносна інтенсивність Прояв
Ядерне (сильне) Піони
Каони м
1 Стійкість атомних ядер
Електромагнітне Фотони 1/137 Стійкість атомів, молекул, макроскопічних тіл
Слабке Бозони м
Нестабільність елементарних частинок
гравітаційне Гравітони
(гіпотеза) °° Стійкість зір, планетних систем

 Закріплення нових знань та вмінь
Перший рівень
1. Які частинки називаються елементарними?
2. Назвіть частинки, які в цей час уважаються істинно елементарними.
3. Чим пояснюються дуже рідкісні випадки спостереження позитрона?
4. Які античастинки ви знаєте?
5. Що розуміють під антиречовиною?
Другий рівень
1. Що таке фундаментальні частинки?
2. Які види фундаментальних взаємодій ви знаєте? Які з них найбільш сильні? найбільш слабкі?
3. Які основні властивості кварків?
4. Чи існують кварки у вільному стані?
5. Чому вільний нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино, а вільний протон не може розпастися на нейтрон, позитрон і нейтрино?
Розв'язання:
другий вид розпаду заборонений законом збереження енергії. Маса спокою протона, а отже, і енергія спокою менша від маси й енергії спокою нейтрона.

08.04.2020р

 Тема: Розв`язування задач з теми: "Атомна і ядерна фізика".

Розв'язування задач з теми «Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор»
Тип уроку: урок застосування знань, умінь, навичок.
Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

Хід уроку
Важкість  розв’язання  якоюсь мірою  входить  і саме поняття задачі:
Там, де немає труднощів, немає і задачі.
Дьордь  Пойя
І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ
1. Провести бесіду за матеріалом § 26
Бесіда за питаннями
1. Які процеси відбуваються внаслідок поглинання нейтрона ядром Урану?
2. Опишіть механізм ланцюгової ядерної реакції. 
3. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах? 
4. Як працює атомна електростанція? 
5. Який процес називають термоядерним синтезом? 
6. Звідки «беруть» енергію зорі?

2. Перевірити виконання вправи № 26 (2)

IІІ. РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ
1. Яку масу урану потрібно витратити, щоб під час поділу ядер усіх атомів Урану виділилася енергія 6,2·10^14Дж?

2. На яку висоту можна підняти кам’яну брилу масою 1000 т, застосовуючи енергію поділу 2,6·10^21 атомів Урану-235 (саме стільки атомів містить 1 г Урану-235)?

3. Визначте масу Урану-235, яку витрачає за добу реактор атомної електростанції, якщо вихідна електрична потужність відповідного блока електростанції становить 1000 МВт, а його ККД – 30 %.

ІV. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОК

VI. Домашнє завдання