Учебный материал "Состав атомных ядер. Ядерные реакции. Понятие о ядерных силах"

     Состав атомных ядер. Ядерные реакции. Понятие о ядерных силах

 

 

1. Каков состав атомных ядер?

ЯДРО (атомное)– это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10^–15м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Их общее количество в ядре обозначают буквой А и называют массовым числом. Число протонов в ядре Z определяет электрический заряд ядра и совпадает с атомным номером элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Число нейтронов в ядре может быть определено как разность между массовым числом ядра и числом протонов в нем. Массовое число – это число нуклонов в ядре.

2. Как объяснить стабильность атомных ядер?

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания.

3. Назовите свойства ядерных сил.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1.       Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных.
2.       Ядерные силы имеют короткодействующий характер: радиус их действия R ~10^–15м (т.е. совпадает по порядку величины с радиусом атомного ядра).
3.       Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях ~10^–15м, но на существенно меньших расстояниях между нуклонами переходят в силы отталкивания.
4.       Ядерные силы нецентральны; на классическом (неквантовом) языке это означает, что они направлены под некоторым углом к прямой, соединяющей взаимодействующие частицы (силы такого типа называют тензорными силами).
5.       Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между нейтроном и нейтроном, между протоном и протоном, а также между нейтроном и протоном, одинаковы.
6.       Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре притягивает к себе лишь небольшое число своих соседей, отталкивая при этом остальные частицы.
7.       Наряду с обычными (парными) ядерными силами существуют и так называемые тройные (и вообще многочастичные) ядерные силы, радиус действия которых примерно вдвое меньше радиуса действия обычных парных сил. (Под тройными имеют в виду силы между тремя частицами, обращающиеся в нуль при удалении на бесконечность хотя бы одной из этих частиц)
8.       Ядерные силы, по крайней мере частично, имеют обменный характер. Согласно мезонной теории ядерных сил взаимодействие между нуклонами осуществляется путем испускания и поглощения этими частицами квантов особого пионного поля – пи-мезонов. Полной законченной теории ядерных сил, которая объясняла бы и предсказывала все их свойства, пока еще не создано.

4. Что такое энергия связи ядра?

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Разность между суммой масс нуклонов (протонов и нейтронов) и массой состоящего из них ядра, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, и есть энергия связи нуклонов в ядре. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

5. Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него?

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры A (a, b) B или А + а → В + b.

Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое.

Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Виды ядерных реакций:

• через стадию образования составного ядра;
• прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);
• под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;
• синтез ядер;
• деление ядер;
• с поглощением энергии и с выделением энергии.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер.  Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H

Условия протекания ядерных реакций

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.

Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

•                поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.
•                испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10^-12с.

Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.

                                  

Данная энергия выражается в Джоулях, но нам предстоит ее выражать в МэВ. Для этого наша формула будет выглядеть следующим образом:

                            

А теперь давайте рассчитаем энергетический выход реакции Уолтона и Кокрофта.

 

Е-?	Решение

На самом деле эта реакция проходит с выделением энергии 17,6 МэВ, у нас значение данной энергии получилось меньше, так как мы не учитывали кинетическую энергию протона, так как он был разогнан на ускорителе.

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа

Вариант 1

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1.      алюминий (²⁷₁₃Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
2.      азот (¹⁴₇N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1.      ³⁵₁₇Cl + ¹₀n → ¹₁p +
2.      ¹³₆C + ¹₁p →
3.      ⁷₃Li + ¹₁p → 2
4.      ¹⁰₅B + ⁴₂He → ¹₀n +
5.      ²⁴₁₂Mg + ⁴₂He → ²⁷₁₄Si +
6.      ⁵⁶₂₆Fe + ¹₀n → ⁵⁶₂₅Mn +

3. Определите энергетический выход реакций:

1.      ⁷₃Li + ¹₀n → ⁴₂He  + 13H;
2.      ⁹₄Be + ⁴₂He  → ¹₀n + ¹³₆C.

 

 

Вариант 2

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. фосфор(³¹₁₅Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
2. алюминий (²⁷₁₃Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1. ¹⁸₈О + ¹₁p → ¹₀n +
2. ¹¹₅B + ⁴₂He → ¹₀n +
3. ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈О +
4. ¹²₆C + ¹₀n → ⁹₄Be +
5. ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅Р +
6. ²⁴₁₁Na → ²⁴₁₂Mg + ⁰_-1е +

3. Определите энергетический выход реакций:

1. ⁶₃Li + ¹₁p → ⁴₂He + ³₂He;
2. ¹⁹₉F + ¹₁p → ⁴₂He + ¹⁶₈O.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа  № 29 Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

 

 

Тема работы: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

Цель работы: объяснить характер движения заряженных частиц.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

При выполнении данной лабораторной работы необходимо помнить, что:

       А) длина трека зависит от энергии частицы. Длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);

       Б) толщина трека зависит от величины заряда частицы. Толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость;

       В) Кривизна трека зависит от массы и скорости движения частицы. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля. Частицы двигаются от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны .

ЗАДАНИЕ 1

1.    На двух из трех представленных фотографий (рис.188.189 и 190) изображены треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.
2.    Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 188) и ответьте на вопросы.
3.    А) В каком направлении двигались α-частицы?
4.    Б) Длина треков α-частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
5.    В) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?
6.    На рисунке 189 дана фотография треков α-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
7.    А) Почему менялся радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц?
8.    Б) В какую сторону двигались α-частицы?
9.    На рисунке 190 дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:
10. А) Почему трек имеет форму спирали?
11. Б) в каком направлении двигался электрон?
12. Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 190 гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 189?