Физика (лучшее) (стр. 16 из 17)

Билет № 25

Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — называются нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона. Нейтрон — злектрически нейтральная частица с массой примерно равной 1839 масс электрона.

Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу электронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем же символом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например,

), из которых верхний обозначает массовое, а нижний зарядовое число.

Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий (

), дейтерий (

) и тритий (

). У кислорода встречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)

Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изучении рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле

м.

Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы притяжения, превосходящие силы электростатического отталкивания протонов. Их назвали ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:

1) Они являются только силами притяжения и значительно сильнее электростатического отталкивания протонов.

2) Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё действуют ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно

м.

3) Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы

4) для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может быть проведено и энергетическими методами.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро — это значит разорвать связи между его нуклонами. для разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, необходимо затратить определённую энергию, называемую энергией связи ядра.

Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых образуется ядро, равна

, Согласно специальной теории относительности, ей соответствует энергия , рассчитываемая по формуле , где с — скорость света в вакууме. После образования ядро обладает энергией . Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих масс называют дефектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделение энергии . Из закона сохранения энергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расщепление ядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи равна . Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой И из N = А - Z нейтронов с массой , то дефект массы равен

C учетом этого энергия связи находится по формуле:

Об устойчивости ядер судят по средней энергии

связи, приходящейся на один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна

На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массового числа А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих середину таблицы

Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1 МэВ 1,6*1О^-13Дж). В то же время нуклоны самых лёгких и самых тяжёлых элементов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер, расположенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана),

приблизительно составляет 7,6 МэВ.

Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энергии. Из общих соображений ясно, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реакции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это условие может быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлых ядер на более лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. Например, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода — дейтерия

, имеющих удельные энергии связи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого = 7,05 МэВ, выделяется энергия 7,05-1,11=6,94 Мэв.

Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происходит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные особенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна

.

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики поняли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные деления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходится решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три: