Геометрична оптика і ядерна фізика

(22.7)

Процеси перетворення ядер зручно записувати за допомогою зарядового і масового чисел.

При -розпаді всередині важкого ядра (А>200) формується блок з двох протонів і двох нейтронів (майбутня -частинка). Енергія -частинки у ядрі вдвічі менша ніж, енергія ядерних сил, тому вона тунелює скрізь потенціальний бар'єр ядерних сил:

(22.8)

При -розпаді нейтрон усередині ядра перетворюється в протон, а електрон вилітає з ядра:

(22.9)

При -розпаді нейтрон усередині ядра перетворюється в протон і позітрон, що вилітає з ядра:

(22.10)

При е-захваті (k-захваті) ядро захватує електрон з

k-оболонки - усередині ядра протон перетворюється на нейтрон:

(22.11)

Під час всіх ядерних перетворень виконуються закони збереження енергії, імпульсу, масового і зарядового чисел. При

-розпаді виникає також нейтрино або антинейтрино - частинки, маса спокою яких дуже мала або дорівнює нулю.

Атомні ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. У середньому на кожне значення Z припадає близько трьох стабільних ізотопів. Наприклад, є стабільними ізотопами кремнію. Крім стабільних, більшість елементів мають і нестабільні ізотопи, для яких характерний обмежений час життя. Більшість хімічних елементів у природі - це суміш ізотопів. Ядра з однаковим масовим числом називаються ізобарами, а з однаковим числом нейтронів - ізотонами.

Контрольні запитання

1. Що називається радіоактивністю?

2. Яка радіоактивність називається природною, штучною?

3. Які ядра називаються материнськими?

4. Які ядра називаються дочірніми?

5. Що називається періодом напіврозпаду?

6. Яка будова атомного ядра? Що називається ізотопами?

7. Дайте визначення атомної одиниці маси.

8. Що називають протоном? Що називають нейтроном?

9. Напишіть рівняння і в-розпадів.

4.5 Ядерні сили. Дефект маси

Стійкість атомних ядер показує, що між нуклонами діють більші сили взаємного притягання - ядерні сили. Ядерні сили - короткодійні. На відстані близько 10^-15 м вони в 137 разів більші від сил електричного відштовхування нуклонів. Ядерні сили мають властивість насичення, тобто нуклони взаємодіють тільки з найближчими сусідами. Ядерні сили не залежать від заряду нуклона, тобто мають зарядову незалежність.

Точні мас-спектрометричні виміри показали, що маса ядра завжди менша від суми мас нуклонів, що входять до складу ядра. Різниця мас одержала назву дефект маси:

(22.12)

де m_я - маса ядра.

У цій формулі масу протона можна замінити на масу атома водню, а масу ядра - на масу атома:

(22.13)

При зміні маси, відповідно до співвідношення Эйнштейна, повинна змінюватися енергія:

(22.14)

Енергія Е, що виділяється під час утворення ядра у вигляді випромінювання, називається енергією зв'язку ядра. Для поділу ядра на нуклони необхідно затратити таку саму енергію. Дефект маси є мірою енергії зв'язку ядра.

Важливу інформацію про властивості ядер містить залежність

питомої енергії зв'язку від масового числа (рис. 22.3). Питомою енергією зв'язку називається енергія зв'язку, що припадає на один нуклон. З рис. 22.3 видно, що ця залежність має максимум, тобто найбільш стабільними є ядра з середини періодичної системи елементів.

Максимальну енергію зв'язку мають елементи з масовими числами від 80 до 100. Залежність показує, що при розпаді важких ядер і злитті легких ядер повинна виділятися велика кількість енергії.

4.6 Ядерні реакції

Ядерна реакція - це явище перетворення атомних ядер під час їхньої взаємодії з елементарними частками або іншими ядрами.

У ядерних реакціях виконуються закони збереження заряду, енергії, імпульсу і числа нуклонів. Перша штучна ядерна реакція була проведена Резерфордом у 1919 р. Під час опроміненні газоподібного азоту альфа-частинками утворювалися кисень і водень:

(22.15)

Найбільш перспективними «снарядами» для одержання нових елементів є нейтрони, які не володіють електричним зарядом. Наприкінці 1938 р. вчені О. Ган і Ф. Штрассман точними хімічними дослідами встановили, що в опроміненому нейтронами шматку урану утримуються барій і церій, що перебувають у середині періодичної системи елементів. Пояснення дослідів було дано Лізе Мейтнер і О. Фрішем: ядро урану захоплює нейтрон, стає нестійким і розпадається на дві частини. Реакція поділу урану (рис. 22.4) відбувається за такою схемою:

нейтрони.

У результаті цієї реакції можуть утворитися до 80 дочірних ядер. Найбільш імовірним виявляється поділ на осколки, маси яких відносяться приблизно як 2:3. Під час поділу ядер урану виділяється величезна енергія зв'язку 208 МеВ на кожне ядро, а виліт вторинних нейтронів уможливлює ланцюгову ядерну реакцію. Ланцюгова реакція поділу важких ядер характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів к, що дорівнює відношен-ню кількості нейтронів у даному поколінні до їхнього числа у попередньому. Ланцюгові реакції поділяють на керовані і некеровані. Вибух атомної бомби - некерована ядерна реакція

Для одержання керованої ланцюгової ядерної реакції необхідно створити такі умови, щоб кожне ядро, що поглинуло нейтрон, під час розпаду виділяло в середньому більш ніж один нейтрон, що йде на розпад другого важкого ядра

Ядерним реактором називають пристрій, у якому здійснюється і підтримується керована ланцюгова реакція розподілу важких ядер. Ланцюгова ядерна реакція в реакторі може здійснюватися тільки при певній кількості ядер, що діляться, які можуть ділитися при будь-якій енергії нейтронів. З матеріалів, що діляться, найважливішим є ізотоп частка якого в природному урані становить усього 0,714 %. Хоча і ділиться нейтронами, енергія яких перевищує 1,2 МеВ, однак ланцюгова реакція, що самопідтримується, на швидких нейтронах у природному урані неможлива через високу ймовірність поглинання нейтронів ядрами . Використання сповільнювача нейтронів (як сповільнювач використовують матеріали з малим масовим числом і невеликим перетином поглинання: важка вода, берилій, графіт) приводить до зменшення резонансного поглинання нейтронів в

На рис. 22.5 наведена схема енергетичного ядерного реактора, у якому теплова енергія, що виділяється, переноситься теплоносієм

і використовується для виробництва електроенергії.

Із залежності питомої енергії зв'язку від масового числа (див. рис. 22.4) випливає, що легкі ядра можуть зливатися з виділенням енергії. Для злиття необхідно, щоб ядра перебороли сили електростатичного відштовхування і зблизилися на відстань близько м, тобто щоб вони потрапили у сферу дії ядерних сил.

Термоядерна реакція - це реакція синтезу (злиття) легких ядер при дуже високій температурі. Для одержання енергії дуже перспективною є реакція злиття дейтерію і тритію, у якій виділяється енергія 17,6 Мев:

(22.16)

У цей час ведуться роботи зі створення промислового термоядерного реактора для виробництва електроенергії.

4.7 Біологічна дія і захист від випромінювань

Радіоактивні випромінювання великої інтенсивності впливають на всі живі організми. Характер впливу залежить від поглиненої дози випромінювання і його виду. Про дозу випромінювання роблять висновок за поглиненою енергією, а за експозиційною дозою роблять висновок про іонізуючу здатність.

Дозою поглиненого випромінювання називається величина, що дорівнює енергії випромінювання , яка поглинена одиницею маси:

(22.17)

За одиницю поглиненої дози в системі СІ прийнятий 1 грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/1 кг. (22.18)

Експозиційною дозою випромінювання (ЕДВ) називається величина, що дорівнює сумарному заряду іонів одного знака, що утворилися в 1 м³ сухого повітря за нормальних умов. Експозиційна доза в СІ виміряється в кулонах на 1 кг (Кл/кг). На практиці часто використовується несистемна одиниця випромінювання - рентген і її часткові одиниці.

Під час опромінення живих організмів дія випромінювання залежить від його виду. Тому дію різних випромінювань порівнюють із дією рентгенівського і гамма- випромінювань. Із цією метою вводиться коефіцієнт біологічної ефективності (КОБЕ). Для рентгенівського, гамма- і бета- випромінювання КОБЕ дорівнює 1, для альфа-часток, протонів і швидких нейтронів він дорівнює 10. Для повільних нейтронів коефіцієнт біологічної ефективності дорівнює 3.

Для оцінки біологічної дії випромінювань уведена еквівалентна доза. Еквівалентна доза поглиненого випромінювання (ЕДПВ) - величина, що дорівнює добутку поглиненої дози на КОБЕ:

За одиницю ЕДПВ в СІ прийнято 1 зиверт (Зв). Ця одиниця відповідає поглиненій дозі в 1 грей при КОБЕ = 1. На практиці для виміру впливу випромінювань на біологічні об'єкти використовують одиницю бер (біологічний еквівалент рентгена):

1 бер = 0,01 Зв. Людина безупинно піддається дії природного радіоактивного випромінювання й опроміненню під час рентгенівських обстежень. У середньому за рік людина одержує дозу близько 400-500 мбер. Небезпечними прийнято вважати дози більше 35 бер за рік, тому в роботі з радіоактивними речовинами потрібно проявляти обережність.

Людське тіло має власну радіоактивність, яка пов'язана в основному з радіоактивністю калію. Випробування ядерної зброї привели до зміни радіоактивності навколишнього середовища і у всіх людей на земній кулі радіоактивність визначається вже не калієм, а осколочним цезієм. А вибухи водневих бомб давали ще й , який входить у біологічні ланцюги. Таким чином, склалася критична ситуація - якщо продовжувати ядерні випробування в атмосфері, то виникнуть складні генетичні наслідки. У Москві 5 серпня 1963 р. був підписаний договір про заборону ядерних іспитів в атмосфері, космічному просторі і під водою. А в 1996 р. 50 сесія Генеральної Асамблеї ООН прийняла договір про загальну заборону ядерних випробувань в атмосфері, космічному просторі і під водою. Ратифікували договір 157 країн, не ратифікували США, КНР, Ізраїль, Єгипет та Іран.

Контрольні запитання

1. Чому атомні ядра стабільні (не розпадаються)?

2. На яких відстанях діють ядерні сили?

3. Що називають дефектом маси? Що називають енергією зв'язку?

4. Запишіть співвідношення між масою і енергією?

5. Що називають ядерною реакцією?

6. Яка ядерна реакція називається ланцюговою?

7. За якою схемою відбувається реакція розпаду урану?

8. Що називають коефіцієнтом розмноження нейтронів?

9. Що називають ядерним реактором?

10. Що називають дозою поглиненого випромінювання?

11. Що називають експозиційною дозою випромінювання?

12. Що називають коефіцієнтом біологічної ефективності?

13. Що називають еквівалентною дозою поглиненого випромінювання?

Размещено на Allbest.ru