Otkriće jezgra u atomu. Sastav atomskih jezgara
Sastav atomskih jezgara
Do 20-ih godina 20. stoljeća, fizičari više nisu sumnjali da atomska jezgra koje je otkrio E. Rutherford 1911. godine, kao i sami atomi, imaju složenu strukturu. U to su ih uvjerile brojne eksperimentalne činjenice akumulirane do tog vremena: otkriće radioaktivnosti, eksperimentalni dokaz nuklearnog modela atoma, mjerenje omjera e/m za elektron, α -čestice i za tzv.H-česticu - jezgro atoma vodika, otkriće vještačke radioaktivnosti i nuklearne reakcije, mjerenje naboja atomskih jezgara itd.
Sada je to čvrsto utvrđeno atomska jezgra različitih elemenata sastoje se od čestica dvije vrste - protona i neutrona.
Prva od ovih čestica je atom vodika iz kojeg je uklonjen samo jedan elektron. Ova čestica je već uočena 1907. godine u eksperimentima J. Thomsona, koji je uspio izmjeriti njen omjer e/m. Godine 1919. E. Rutherford je otkrio jezgra atoma vodika u produktima fisije jezgara atoma mnogih elemenata. Rutherford je ovu česticu nazvao proton. On je sugerirao da su protoni dio svih atomskih jezgara. Šema Rutherfordovih eksperimenata prikazana je na sl. 6.5.1.
Shema Rutherfordovih eksperimenata na detekciji protona u produktima nuklearne fisije. K - olovni kontejner sa radioaktivnim izvorom α -čestice, F - metalna folija, E - ekran presvučen cink sulfidom, M - mikroskop
Rutherfordov uređaj se sastojao od evakuirane komore u kojoj se nalazio kontejner K sa izvorom α -čestice. Prozor komore je bio prekriven metalnom folijom F čija je debljina odabrana tako da α - čestice nisu mogle prodrijeti kroz njega. Izvan prozora je bio paravan E, obložen cink sulfidom. Koristeći mikroskop M, bilo je moguće uočiti scintilacije (tj. svjetlosne bljeskove) na mjestima gdje teške nabijene čestice udaraju u ekran. Prilikom punjenja komore dušikom nizak pritisak na ekranu su se pojavili svjetlosni bljeskovi koji ukazuju na pojavu struje nekih čestica koje mogu prodrijeti kroz F foliju, što je skoro potpuno blokiralo protok α -čestice. Odmaknuvši ekran E od prozora kamere, Rutherford je izmjerio srednju slobodnu putanju posmatranih čestica u zraku. Ispostavilo se da je otprilike jednako 28 cm, što se poklopilo sa procjenom dužine putanje H-čestica koju je ranije uočio J. Thomson. Studije uticaja na čestice koje su izbačene iz jezgri dušika električnim i magnetskim poljem pokazale su da te čestice imaju pozitivan elementarni naboj i da je njihova masa jednaka masi jezgra atoma vodika. Nakon toga, eksperiment je izveden s nizom drugih plinovitih tvari. U svim slučajevima utvrđeno je da iz jezgara ovih supstanci α -čestice nokautiraju H-čestice ili protone.
Prema savremenim merenjima, pozitivan naboj proton je tačno jednak elementarnom naboju e = 1,60217733ċ10 –19 C, odnosno jednako po modulu negativni naboj elektron. Trenutno je jednakost naboja protona i elektrona provjerena sa tačnošću od 10-22. Takva podudarnost naboja dvije različite čestice je iznenađujuća i ostaje jedna od temeljnih misterija moderne fizike.
Masa protona je, prema savremenim merenjima, jednaka m p \u003d 1,67262ċ10 -27 kg. AT nuklearna fizika masa čestice se često izražava u jedinicama atomske mase (a.m.u.) jednaka 1 12 mase atoma ugljika s masenim brojem 12: 1 a. e.m. = 1,66057ċ10 -27 kg.
shodno tome, m p \u003d 1,007276 a. jesti. U mnogim slučajevima, zgodno je izraziti masu čestice u ekvivalentnim energetskim vrijednostima u skladu sa formulom E=mc2. Jer 1 eV = 1,60218ċ10 -19 J, u energetskim jedinicama, masa protona je 938,272331 MeV.
Tako je u Rutherfordovom eksperimentu otkriven fenomen cijepanja jezgara dušika i drugih elemenata pri udarima brzih α -čestice i pokazano je da protoni su dio jezgara atoma.
Nakon otkrića protona, sugerirano je da se jezgra atoma sastoje samo od protona. Međutim, ispostavilo se da je ova pretpostavka neodrživa, jer omjer naboja jezgra i njegove mase ne ostaje konstantan za različite jezgre, kao što bi bio da su u sastav jezgara uključeni samo protoni. Za teža jezgra ovaj omjer se ispostavlja manjim nego za laka, tj. pri prelasku na teža jezgra masa jezgra raste brže od naboja.
Godine 1920. Rutherford je pretpostavio postojanje kruto vezanog kompaktnog para proton-elektron u sastavu jezgara, koji je električki neutralna formacija - čestica čija je masa približno jednaka masi protona. Čak je smislio i ime za ovu hipotetičku česticu - neutron. Bila je to vrlo lijepa, ali, kako se kasnije pokazalo, pogrešna ideja. Elektron ne može biti dio jezgra. Kvantnomehanički proračun zasnovan na odnosu nesigurnosti pokazuje da je elektron lokalizovan u jezgru, tj. oblast veličine R ≈ 10–13 cm, mora imati kolosalan kinetička energija, što je mnogo redova veličine veće od energije vezivanja jezgara po čestici. Međutim, ideja o postojanju teške neutralne čestice Rutherfordu se učinila toliko privlačnom da je odmah pozvao grupu svojih učenika, predvođenih J. Chadwickom, da je potraže. 12 godina kasnije, 1932., Chadwick je eksperimentalno istražio zračenje koje se javlja kada se berilij ozrači. α -čestica, i utvrdili da je ovo zračenje mlaz neutralnih čestica mase približno jednake masi protona. Ovako je otkriven neutron. Na sl. 6.5.2 prikazuje pojednostavljeni dijagram podešavanja za detekciju neutrona.
Šematski dijagram instalacije za detekciju neutrona Kada je bombardovan berilijumom α -čestice koje emituje radioaktivni polonijum proizvode snažno prodorno zračenje koje može savladati takvu prepreku kao što je sloj olova debljine 10–20 cm.Ovo zračenje su gotovo istovremeno sa Chadwickom uočili supružnici Irene i Frederic Joliot-Curie (Irene je kćerka Marie i Pierre Curie), ali su pretpostavljali da jeste γ snopovi velike energije. Otkrili su da ako se parafinska ploča postavi na put zračenja berilijuma, tada se ionizirajuća moć ovog zračenja naglo povećava. Oni su dokazali da berilijumsko zračenje izbija protone iz parafina, koji su prisutni u velikim količinama u ovoj tvari koja sadrži vodonik. Iz slobodnog puta protona u zraku procijenili su energiju γ - kvanti sposobni da protonima prenesu potrebnu brzinu u sudaru. Ispostavilo se da je ogromna 50 MeV.
J. Chadwick je 1932. godine izveo niz eksperimenata na sveobuhvatnom proučavanju svojstava zračenja koje nastaje zračenjem berilija α -čestice. U svojim eksperimentima, Chadwick je koristio različite metode za proučavanje jonizujućeg zračenja. Na sl. 6.5.2 prikazuje Geigerov brojač dizajniran da registruje naelektrisane čestice. Sastoji se od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke niti koja ide duž ose cijevi (anode). Cev je napunjena inertnim gasom (obično argonom) pod niskim pritiskom. Nabijena čestica koja leti kroz plin uzrokuje jonizaciju molekula. Slobodni elektroni nastali kao rezultat jonizacije se ubrzavaju električno polje između anode i katode do energija pri kojima počinje udarna ionizacija. Pojavljuje se lavina jona, a kratki impuls struje pražnjenja prolazi kroz brojač. Drugi važan instrument za proučavanje čestica je takozvana komora oblaka, u kojoj brzo nabijena čestica ostavlja trag (trag). Putanja čestice se može posmatrati direktno ili fotografisati. Djelovanje komore za oblake, stvorene 1912. godine, zasniva se na kondenzaciji prezasićene pare na jonima koji nastaju u radnom volumenu komore duž putanje nabijene čestice. Koristeći komoru za oblak, može se promatrati zakrivljenost putanje nabijene čestice u električnom i magnetna polja.
J. Chadwick je u svojim eksperimentima uočio u komori oblaka tragove jezgara dušika koje su doživjele sudar sa berilijumskim zračenjem. Na osnovu ovih eksperimenata napravio je procjenu energije γ -kvant sposoban da informiše jezgra azota o brzini uočenoj u eksperimentu. Bila je jednaka 100–150 MeV. Tako ogromnu energiju nije bilo moguće posjedovati γ -kvanta koje emituje berilijum. Na osnovu toga, Chadwick je zaključio da iz berilija, pod djelovanjem α -emitovane čestice nisu bez mase γ -kvanta, ali prilično teške čestice. Ove čestice su bile veoma prodorne i nisu direktno jonizovale gas u Geigerovom brojaču, pa su stoga bile električno neutralne. Tako je dokazano postojanje neutrona, čestice koju je Rutherford predvidio više od 10 godina prije Chadwickovih eksperimenata.
Neutron je elementarna čestica. Ne treba ga predstavljati kao kompaktan par proton-elektron, kao što je prvobitno predložio Rutherford.
Prema savremenim merenjima, masa neutrona m n \u003d 1,67493ċ10 -27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. U energetskim jedinicama, masa neutrona je jednaka 939,56563 MeV. Masa neutrona je otprilike dvije mase elektrona veća od mase protona.
Neposredno nakon otkrića neutrona, ruski naučnik D. D. Ivanenko i njemački fizičar V. Heisenberg iznijeli su hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi atomskih jezgara, koja je u potpunosti potvrđena kasnijim istraživanjima. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni.
Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara. Broj protona koji čine atomsko jezgro, označeno simbolom Z i nazovi broj naplate ili atomski broj (ovo je serijski broj u periodnom sistemu Mendeljejeva). Nuklearni naboj je Ze, gdje e – elementarnog naboja. Broj neutrona je označen simbolom N.
Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) naziva se maseni broj A: A=Z+N.
Jezgra hemijskih elemenata su označena simbolom X Z A , gde je X hemijski simbol elementa. Na primjer,
H 1 1 - vodonik, He 2 4 - helijum, C 6 12 - ugljenik, O 8 16 - kiseonik, U 92 238 - uranijum.
Jezgra istog hemijskog elementa mogu se razlikovati po broju neutrona. Takva jezgra se nazivaju izotopi. Većina hemijskih elemenata ima nekoliko izotopa. Na primjer, vodonik ih ima tri: H 1 1 - obični vodonik, H 1 2 - deuterijum i H 1 3 - tricij. Ugljik ima 6 izotopa, kiseonik 3.
Hemijski elementi in prirodni uslovi obično mješavina izotopa. Postojanje izotopa određuje vrijednost atomske mase prirodnog elementa u periodičnom sistemu Mendeljejeva. Tako, na primjer, relativna atomska masa prirodni ugljenik je 12.011.
Atom je složen sistem koji sadrže određene čestice. Engleski fizičar E. Rutherford predložio je nuklearni (planetarni) model strukture atoma. Glavne odredbe nuklearnog modela atoma.
1. Jezgro je vrlo male veličine (prečnik atoma je 10 -10 m, prečnik jezgra je ~10 -15 m).
2. Jezgro ima pozitivan naboj.
3. Gotovo sva masa atoma nalazi se u jezgru.
Jezgro se sastoji od nukleona: protona i neutrona.
G. Moseley (Engleska) je otkrio da je pozitivni naboj atomskog jezgra (u konvencionalnim jedinicama) jednak rednom broju elementa u periodičnom sistemu Mendeljejeva. Svaki proton ima naboj od +1, tako da je nuklearni naboj jednak broju protona.
Masa protona, kao i masa neutrona, je otprilike 1840 puta veća od mase elektrona. Protoni i neutroni su u jezgru, tako da je masa atoma skoro jednaka masi jezgra. Masa jezgra, kao i masa atoma, određena je zbirom broja protona i broja neutrona. Ovaj zbir se naziva masenim brojem atoma. Maseni broj atoma (A) = Broj protona (Z) + Broj neutrona (N) A=Z+N
Protoni i neutroni, koji su dio bilo kojeg jezgra, nisu nedjeljive elementarne čestice, već se sastoje od kvarkova.
Kvarkovi, zauzvrat, međusobno djeluju, kontinuirano razmjenjuju gluone - nosioce istinski jake interakcije (hiljade puta je jača od one koja djeluje između protona i neutrona u jezgri). Kao rezultat toga, protoni i neutroni se ispostavljaju kao vrlo čvrsto povezani sistemi koji se ne mogu razbiti na sastavne dijelove.
Atomi istog elementa koji imaju različite masene brojeve nazivaju se izotopi. Atomi izotopa istog elementa imaju isti broj protona (Z) i razlikuju se jedan od drugog po broju neutrona (N). Izotopi se označavaju simbolima odgovarajućih elemenata, na lijevoj strani kojih je na vrhu ispisan maseni broj izotopa. Na primjer: 12 C je izotop ugljika s masenim brojem 12.
Veličina atomskog jezgra ovisi o njihovom masenom broju. Volumen jezgra je proporcionalan A, a njegova linearna veličina je proporcionalna A 1/3. Efektivni radijus R kernel je definiran jednakošću: R = aa 1/3 , gdje je konstanta a je (1,1-1,4) x 10 -13 cm, ovisno o fizičkom eksperimentu u kojem se mjeri R. Ova jednakost to pokazuje R varira od 10 -13 do 10 -12 cm Gustoća nuklearne materije je izuzetno visoka u odnosu na gustinu običnih supstanci i iznosi oko 10 14 g/cm 3 . Gustoća raspodjele nukleona u jezgru je gotovo konstantna u njegovom središnjem dijelu i opada eksponencijalno na periferiji. Nukleoni u jezgru su pokretni. U jezgru postoje sile površinskog napona.
NUKLEARNE SNAGE
Između jednako nabijenih protona djeluju elektrostatičke sile odbijanja, ali se jezgro ne "raspršuje" na pojedinačne čestice, jer između protona i neutrona unutar jezgra postoje nuklearne snage- sile privlačenja, daleko veće od elektrostatičkih. Nuklearne sile su 100 puta veće od elektrostatičkih sila i nazivaju se jaka interakcija (ovo je interakcija razmjene).
Nuklearne sile se manifestuju samo na udaljenostima unutar jezgra, stoga se smatraju kratkog dometa, dok su elektrostatičke sile dugog dometa.
Nuklearne sile su sile privlačenja, jer drže nukleone unutar jezgre (kod vrlo snažnog približavanja nukleona, nuklearne sile između njih imaju karakter odbijanja).
Svojstva nuklearnih sila:
Nuklearne snage nisu električne sile, budući da djeluju ne samo između protona, već i između neutrona bez naboja, a ne gravitacijskih, koji su premali da bi objasnili nuklearne efekte.
Područje djelovanja nuklearnih snaga je zanemarivo. Njihov radijus djelovanja je 10 -13 cm.Na velikim udaljenostima između čestica ne dolazi do nuklearne interakcije.
Nuklearne snage (u području gdje djeluju) su vrlo intenzivne. Njihov intenzitet je mnogo veći od intenziteta elektromagnetnih sila, budući da se nuklearne sile zadržavaju unutar jezgra, slično nabijene protone, odbijajući jedni druge ogromnim električnim silama.
Proučavanje stepena vezivanja nukleona u različitim jezgrama pokazuje da nuklearne sile imaju svojstvo zasićenja slično valentnosti hemijskih sila. U skladu sa ovim svojstvom nuklearnih sila, jedan te isti nukleon ne stupa u interakciju sa svim ostalim nukleonima jezgra. Ali samo sa nekoliko komšija.
Najvažnije svojstvo nuklearnih sila je njihova nezavisnost naboja, odnosno identitet tri vrste nuklearnih interakcija: između dva protona, između protona i neutrona i između dva neutrona.
Nuklearne sile nisu centralne.
ENERGIJA VEZIVANJA ATOMSKIH JEZRA I DEFEKT MASE
Jezgra atoma su čvrsto vezani sistemi veliki broj nukleoni.
Za potpuno cijepanje jezgra na njegove sastavne dijelove i njihovo uklanjanje na velikim udaljenostima jedan od drugog, potrebno je uložiti određenu količinu rada A.
Energija vezivanja je energija jednaka radu, što se mora učiniti kako bi se jezgro podijelilo na slobodne nukleone.
E veze = - A
Prema zakonu održanja, energija vezivanja je istovremeno jednaka energiji koja se oslobađa tokom formiranja jezgra iz pojedinačnih slobodnih nukleona. Specifična energija vezivanja je energija vezivanja po nukleonu.
Osim za najlakša jezgra, specifična energija vezivanja je približno konstantna i jednaka je 8 MeV/nukleon. Elementi sa masenim brojevima od 50 do 60 imaju maksimalnu specifičnu energiju vezivanja (8,6 MeV/nukleon), jezgra ovih elemenata su najstabilnija.
Kako su jezgra preopterećena neutronima, specifična energija vezivanja se smanjuje.
Za elemente na kraju periodnog sistema, ona je jednaka 7,6 MeV/nukleon (na primjer, za uranijum).
Oslobađanje energije kao rezultat nuklearne fisije ili fuzije
Da bi se jezgro podijelilo, potrebno je utrošiti određenu količinu energije za savladavanje nuklearnih sila.
Da bi se sintetiziralo jezgro iz pojedinačnih čestica, potrebno je savladati Kulonove odbojne sile (za to se mora potrošiti energija da se te čestice ubrzaju do velikih brzina).
To jest, da bi se izvršilo cijepanje jezgra ili fuzija jezgra, mora se potrošiti nešto energije.
Za vrijeme nuklearne fuzije na malim udaljenostima, nuklearne sile počinju djelovati na nukleone, što ih potiče da se kreću ubrzano.
Ubrzani nukleoni emituju gama kvante, koji imaju energiju, jednaku energiju veze.
Na izlazu reakcije nuklearne fisije ili fuzije oslobađa se energija.
Ima smisla provesti nuklearnu fisiju ili nuklearnu sintezu, ako je rezultirajuća, tj. oslobođena energija kao rezultat cijepanja ili fuzije bit će veća od potrošene energije.
Prema grafikonu, dobitak u energiji se može dobiti ili fisijom (cijepanjem) teških jezgara, ili fuzijom lakih jezgara, što se i radi u praksi.
Mjerenja masa jezgara pokazuju da je masa jezgra (Mn) uvijek manja od zbira masa mirovanja slobodnih neutrona i protona koji ga čine.
Tokom nuklearne fisije: masa jezgra je uvijek manja od zbroja masa mirovanja formiranih slobodnih čestica.
U sintezi jezgra: masa formiranog jezgra uvijek je manja od zbira masa mirovanja slobodnih čestica koje su ga formirale.
Defekt mase je mjera energije vezivanja atomskog jezgra.
Defekt mase jednak je razlici između ukupne mase svih nukleona jezgra u slobodnom stanju i mase jezgra:
gdje je Mm masa jezgra (iz priručnika)
Z je broj protona u jezgru
m p je masa mirovanja slobodnog protona N je broj neutrona u jezgru
m n je masa mirovanja slobodnog neutrona
Smanjenje mase tokom formiranja jezgra znači da se energija sistema nukleona smanjuje. Energija interakcije nukleona je visoka; naziva se intranuklearnim ili nuklearnim.
NUKLEARNE EAKCIJE
Nuklearna reakcija - proces transformacije atomskih jezgri, koji se događa kada one stupaju u interakciju s elementarnim česticama, gama kvantima i međusobno, što često dovodi do oslobađanja kolosalne energije. Spontani (koji se dešavaju bez utjecaja upadnih čestica) procesi u jezgrima - na primjer, radioaktivni raspad - obično se ne klasifikuju kao nuklearne reakcije. Za izvođenje reakcije između dvije ili više čestica potrebno je da se čestice (jezgre) koje djeluju u interakciji približe jedna drugoj na udaljenosti reda 10 −13 cm, odnosno karakterističnom radijusu djelovanja nuklearnih sila. Nuklearne reakcije se mogu odvijati i oslobađanjem i apsorpcijom energije. Reakcije prvog tipa, egzotermne, služe kao osnova nuklearne energije i izvor su energije za zvijezde. Reakcije koje idu uz apsorpciju energije (endotermne) mogu se javiti samo ako je kinetička energija sudarajućih čestica (u centru mase sistema) iznad određene vrijednosti (reakcioni prag).
Kada se upadna čestica sudari s atomskim jezgrom, između njih dolazi do izmjene energije i momenta, zbog čega se može formirati nekoliko čestica koje lete u različitim smjerovima iz područja interakcije. Takvi procesi se nazivaju nuklearne reakcije.
Radioaktivnost. Zakon radioaktivnog raspada.
Radioaktivnost- spontane transformacije atomskih jezgara, praćene emisijom elementarnih čestica ili lakših jezgara. Jezgra koja su podvrgnuta takvim transformacijama nazivaju se radioaktivnim, a proces transformacije se naziva radioaktivnim raspadom.
Radioaktivni raspad je moguć samo kada je energetski povoljan, tj. praćeno oslobađanjem energije. Uslov za to je višak mase M početnog jezgra od zbira masa m i proizvoda raspada, tj. nejednakost:
Od približno 3.000 poznatih jezgara (većina ih je dobijena umjetno), samo 264 nisu radioaktivne.
Radioaktivna jezgra mogu emitovati čestice tri vrste: pozitivno i negativno nabijene i neutralne. Ove tri vrste zračenja su nazvane α-, β- i γ-zračenje. Na slika 1. prikazana je šema eksperimenta koja omogućava detekciju složenog sastava radioaktivnog zračenja. U magnetnom polju, α- i β-zraci odstupaju u suprotnim smjerovima, a β-zraci odstupaju mnogo više. γ-zraci u magnetnom polju uopšte ne odstupaju.
U drugoj deceniji 20. veka, nakon otkrića E. Rutherforda nuklearne strukture atoma, čvrsto je utvrđeno da je radioaktivnost svojstva atomskih jezgara. Istraživanja su pokazala da α-zraci predstavljaju tok α-čestica - jezgra helijuma, β-zrake predstavljaju struju elektrona, γ-zrake predstavljaju kratkotalasnu elektromagnetno zračenje sa izuzetno kratkom talasnom dužinom λ
Glavne vrste radioaktivnog raspada su alfa raspad (emisija alfa čestica jezgrima), beta raspad (emisija (ili apsorpcija) elektrona, kao i antineutrina, odnosno emisija pozitrona i neutrina), gama raspad (emisija gama zraci) i spontana fisija (raspad jezgra na dva fragmenta uporedive mase).
Alfa raspad . Alfa raspad je spontana transformacija atomskog jezgra sa brojem protona Z i neutrone N u drugo jezgro koje sadrži određeni broj protona Z– 2 i neutrona N- 2. U ovom slučaju emituje se α-čestica - jezgro atoma helijuma.
Opća shema: z X A \u003d 2 He 4 + z -2 Y A -4.
Primjer takvog procesa je α-raspad radijuma:
 |
α-zračenje ima najmanju prodornu moć. U vazduhu, u normalnim uslovima, α-zraci putuju na udaljenosti od nekoliko centimetara.
Radioaktivna supstanca može emitovati α-čestice sa nekoliko diskretnih energetskih vrednosti. To je zato što jezgra mogu biti u različitim pobuđenim stanjima. α-raspad jezgara u mnogim slučajevima je praćen γ-zračenjem.
beta raspad . U beta raspadu, elektron se emituje iz jezgra. Elektroni ne mogu postojati unutar jezgara, oni nastaju tokom β-raspada kao rezultat transformacije neutrona u proton. Ovaj proces se može dogoditi ne samo unutar jezgra, već i sa slobodnim neutronima. -> + .
β-elektroni mogu imati različite brzine u širokom rasponu vrijednosti.
U β-raspadu, broj punjenja Z povećava se za jedan, a maseni broj A ostaje nepromijenjena.
Z X A \u003d -1 e 0 + z +1 Y A.
Tipičan primjer β-raspada je transformacija izotopa torija koji nastaje α-raspadom uranijuma u paladij
 |
β-zrake mnogo manje apsorbuje materija . Oni su u stanju da prođu kroz sloj aluminijuma debljine nekoliko milimetara.
Uz elektronski β-raspad otkriven je i tzv. pozitron β + raspad, u kojem pozitron i neutrina.
Pozitron je čestica blizanaca elektrona koja se od njega razlikuje samo po predznaku naboja.. Pozitroni nastaju kao rezultat reakcije transformacije protona u neutron prema sljedećoj shemi:
|
Gama raspad . Za razliku od α- i β-radioaktivnosti, γ-radioaktivnost jezgara nije povezana s promjenom unutrašnje strukture jezgra i nije praćena promjenom naboja ili masenog broja. γ-zraci imaju najveću prodornu moć, jer mogu proći kroz sloj olova debljine 5-10 cm.
I u α- i β-raspadu, jezgro kćer može biti u nekom pobuđenom stanju i imati višak energije. Prijelaz jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje praćen je emisijom jednog ili više γ-kvanta, čija energija može doseći nekoliko MeV.
Zakon radioaktivnog raspada .
Svaki uzorak radioaktivnog materijala sadrži ogroman broj radioaktivnih atoma. Budući da je radioaktivni raspad slučajan i ne zavisi od spoljni uslovi, zatim zakon opadajuće količine N (t) neraspadnut do sadašnji trenutak vrijeme t jezgra mogu poslužiti kao važan statistička karakteristika proces radioaktivnog raspada
Eksponencijalni zakon radioaktivnog raspada, koji pokazuje kako se (u prosjeku) broj N radioaktivnih jezgri u uzorku mijenja s vremenom t
Gdje je N 0 broj početnih jezgara u početnom trenutku (trenutak njihovog formiranja ili početak posmatranja), a konstanta raspada (vjerovatnoća raspada radioaktivnog jezgra u jedinici vremena).
Preko ove konstante može se izraziti prosječni životni vijek radioaktivnog jezgra = 1/,
Za praktičnu upotrebu, zgodno je napisati zakon radioaktivnog raspada u drugom obliku, koristeći broj 2 kao bazu, a ne e:
Vrijednost T pozvao poluživot . Tokom T polovina prvobitnog broja radioaktivnih jezgara se raspada. Količine T i τ su povezani sa
Tokom α- i β-radioaktivnog raspada, kćerka jezgra takođe može biti nestabilna. Stoga je moguć niz uzastopnih radioaktivnih raspada, koji završavaju stvaranjem stabilnih jezgara.
Na karakteristike radioaktivnog raspada, posebno na njegovu brzinu (vrijeme poluraspada), značajno utječu sile (interakcije) koje uzrokuju raspad. Alfa raspad je u početku vođen jakom silom, ali je njegova brzina određena Kulombovom barijerom ( elektromagnetna interakcija). Beta raspad je uzrokovan slabom silom, dok gama raspad je uzrokovan elektromagnetskom silom.
Aplikacija.
Zanimljiva primjena radioaktivnosti je metoda datiranja arheoloških i geoloških nalaza koncentracijom radioaktivnih izotopa. Metoda koja se najčešće koristi je radiokarbonsko datiranje. U atmosferi se javlja nestabilan izotop ugljika zbog nuklearnih reakcija uzrokovanih kosmičkim zracima. Mali postotak ovog izotopa nalazi se u zraku zajedno sa uobičajenim stabilnim izotopom. Biljke i drugi organizmi troše ugljik iz zraka i akumuliraju oba izotopa u istom omjeru kao i u zraku. Nakon odumiranja biljaka, one prestaju da troše ugljik i nestabilni izotop se postepeno pretvara u dušik kao rezultat β-raspada s poluživotom od 5730 godina. Preciznim mjerenjem relativne koncentracije radioaktivnog ugljika u ostacima drevnih organizama, moguće je odrediti vrijeme njihove smrti.
Dodatno čitanje.
Fenomen radioaktivnosti otkrio je 1896. A. Becquerel. Godine 1899. E. Rutherford je otkrio da uranijum emituje pozitivno nabijene čestice (-čestice) i negativno nabijene čestice (elektrone). 1900. godine, P. Willard je otkrio neutralne čestice (-quanta) dok je proučavao raspad uranijuma. Spontanu nuklearnu fisiju otkrio je 1940. godine K.A. Petrzhak i G.N. Flerov.
U procesu β-raspada uočava se očigledno kršenje zakona održanja energije, jer je ukupna energija protona i elektrona koja nastaje raspadom neutrona manja od energije neutrona. W. Pauli je 1931. godine sugerirao da se tokom raspada neutrona oslobađa još jedna čestica sa nultom masom i nabojem, što oduzima dio energije. Nova čestica je imenovana neutrino
(mali neutron). Zbog odsustva naboja i mase u neutrina, ova čestica vrlo slabo stupa u interakciju s atomima materije, pa ju je izuzetno teško otkriti u eksperimentu. Jonizujuća sposobnost neutrina je toliko mala da jedan čin jonizacije u zraku pada na otprilike 500 km puta. Ova čestica je otkrivena tek 1953. godine. Trenutno je poznato da postoji nekoliko varijanti neutrina. U procesu raspada neutrona nastaje čestica koja se zove elektronski antineutrino
. Označen je simbolom. Stoga se reakcija raspada neutrona zapisuje kao:
|
.
Postojanje pozitrona predvidio je izvanredni fizičar P. Dirac 1928. Nekoliko godina kasnije, pozitron je otkriven u kosmičkim zracima.
Zasebno se mogu razlikovati reakcije na γ-fotone (nuklearni fotoelektrični efekat)
Za dodatno čitanje
Nuklearne reakcije se označavaju na sljedeći način
A 1 + a 2 b 1 + b 2 + ...,
gdje su a 1 i a 2 čestice koje ulaze u reakciju, a b 1 , b 2 ... su čestice nastale kao rezultat reakcije.
Reakcija obično može teći nekoliko različitih puteva, kao rezultat nuklearnih reakcija u konačnom stanju mogu se formirati različite čestice.
Početni korak reakcije se naziva ulazni kanal . Zovu se različiti mogući putevi reakcije u drugom koraku izlaznih kanala .
Ako se u konačnom stanju formiraju dvije čestice
obično koriste notaciju
gdje je a upadna čestica, A je ciljno jezgro, b je svjetlosna čestica formirana u konačnom stanju, B je konačno jezgro.
U zavisnosti od energije upadne čestice E a, interakcija upadne čestice sa jezgrom A može proizvesti različite čestice u konačnom stanju. Dakle, kada proton stupi u interakciju sa 14 N jezgrom, reakcije su moguće
| p + 14 N 14 N + p | (a) |
| p + 14 N 14 N* + p | (b) |
| p + 14 N 15 O + | (u) |
| p + 14 N 14 O + n | (G) |
| p + 14 N 13 N + p + n | (e) |
| p + 14 N 8p + 7n | (e) |
U gornjem primjeru interakcije protona sa 14 N jezgrom, uočeni su sljedeći izlazni kanali reakcije.
Elastično raspršivanje je nuklearna reakcija u kojoj se pojavljuju vrste čestica i njihova kvantna stanja ne mijenjaju se kao rezultat interakcije (a).
U reakciji (b) u konačnom stanju nastaju iste čestice kao i u početnom, ali jezgro 14N nastaje u pobuđenom stanju. Takav proces se naziva procesom neelastičnog raspršenja.
U reakcijama (c-e) nastaju čestice koje nisu bile u početnom stanju.
Reakcije tipa (c), kada se -kvant formira u konačnom stanju, nazivaju se reakcije hvatanja zračenja.
U konačnom stanju mogu se formirati i stabilna i radioaktivna jezgra. Na primjer, 14,15 O jezgra su + -radioaktivne.
U reakciji (e) nastaju tri čestice u konačnom stanju.
Pri dovoljno visokim energijama upadne čestice moguć je potpuni raspad jezgra na njegove sastavne pojedinačne nukleone (e).
Dali smo klasifikaciju nuklearnih reakcija prema vrsti čestica koje nastaju u izlaznom kanalu. Nuklearne reakcije se također klasificiraju prema vrsti čestica u ulazu. Tako se razlikuju reakcije pod djelovanjem svjetlosnih nabijenih čestica p, d, 3 He, 3 H(t), 4 He(), npr.
P + 16 O 16 F + n
+ 14 N 18 F +
Reakcije pod dejstvom -kvanta i elektrona nazivaju se fotonuklearnim i elektronuklearnim.
14 N 13 N + n
e - + 14 N 13 C + p + e -
Ubrzani ioni se mogu koristiti kao upadne čestice.
16 O + 14 N 13 C + 17 F
Ako se nabijene čestice koriste kao upadne čestice, one moraju imati dovoljnu kinetičku energiju da prevladaju Kulonovsko odbijanje jezgra i padnu u područje nuklearnih sila. (Ako je energija nabijene čestice manja od visine Kulonove barijere, vjerovatnoća nuklearne reakcije će biti snažno potisnuta.) Na modernim akceleratorima lako se dobijaju snopovi čestica potrebne energije. Ako je energija čestice nedovoljna za savladavanje Kulonove barijere, tada će doživjeti elastično raspršenje u Kulonovom polju jezgra, opisano Rutherfordovom formulom. Za proučavanje karakteristika atomskih jezgara u niskoenergetskom području koriste se neutroni, koji ne moraju savladati Kulonovu barijeru. Izvori intenzivnih neutronskih tokova su nuklearni reaktori.
Fisija jezgara uranijuma.
Lančana nuklearna reakcija.
Fisija jezgara uranijuma
Atom urana, nakon što je apsorbirao neutron, pobuđuje se, deformira (jezgro se rasteže, nuklearne sile slabe s povećanjem udaljenosti između nukleona) i cijepa se na dva dijela uz emisiju 2-3 neutrona.
Apsorbirajući neutron, jezgro urana dobiva potrebnu energiju za savladavanje nuklearnih sila privlačenja između nukleona, dok se unutarnja energija jezgra povećava. Prilikom raspada jezgra dio unutrašnje energije pretvara se u kinetičku energiju fragmenata, a zatim, uslijed njihovog usporavanja, u unutrašnja energija okruženje.
Kao rezultat nuklearne fisije koju pokreće neutron, nastaju novi neutroni koji mogu izazvati reakcije fisije drugih jezgri. Proizvodi fisije jezgara uranijuma-235 mogu biti različiti izotopi barijuma, ksenona, stroncijuma, rubidijuma itd. Prilikom fisije jezgara teških atoma oslobađa se veoma velika energija - oko 200 MeV tokom fisije svakog jezgra. Oko 80% ove energije oslobađa se u obliku kinetičke energije fragmenata; preostalih 20% otpada na energiju radioaktivnog zračenja fragmenata i kinetičku energiju brzih neutrona. Reakcija fisije jezgri urana odvija se uz dominantno oslobađanje energije u okoliš.
Trenutno je poznato oko 100 različitih izotopa, sa masenim brojevima od oko 90 do 145, koji su rezultat fisije. Dvije tipične reakcije fisije ovog jezgra imaju oblik:
Nuklearna lančana reakcija
Tokom nuklearne fisije, koji je uzrokovan sudarom s neutronom, oslobađaju se 2 ili 3 neutrona. Pod povoljnim uslovima, ovi neutroni mogu pogoditi druga jezgra uranijuma i izazvati njihovu fisiju. U ovoj fazi će se već pojaviti od 4 do 9 neutrona, sposobnih da izazovu nove raspade jezgara uranijuma, itd. Takav proces sličan lavini naziva se lančana reakcija.
Uranijum se prirodno nalazi u dva izotopa:(99,3%) i (0,7%). Kada su bombardovane neutronima, jezgra oba izotopa mogu se podijeliti na dva fragmenta. U ovom slučaju, reakcija fisije ide najintenzivnije na spore (toplinske) neutrone sa kinetičkom energijom u rasponu od 0,5 ev - 1 Mev., dok jezgra ulaze u reakciju fisije samo sa brzim neutronima sa energijom većom od 1 MeV, u suprotnom energija pobude nastalih jezgara nije dovoljan za fisiju i tada umjesto fisije dolazi do nuklearnih reakcija:
Izotop uranijuma β-radioaktivan, poluživot 23 min. Izotop neptunija je također radioaktivan, s poluživotom od oko 2 dana.
Izotop plutonijuma je relativno stabilan, sa poluživotom od 24.000 godina (kao rezultat α-raspada, nastaje). Najvažnije svojstvo plutonijuma je da se fisije pod uticajem neutrona na isti način kao . Stoga se uz pomoć može izvesti lančana reakcija.
Šema lančane reakcije o kojoj smo gore govorili je idealan slučaj, dok u realnim uslovima ne učestvuju svi neutroni nastali tokom fisije u fisiji drugih jezgara. Neki od njih su zarobljeni nefisilnim jezgrama stranih atoma, drugi lete iz uranijuma (curenje neutrona). Stoga se lančana reakcija fisije teških jezgara ne događa uvijek i ni za jednu masu uranijuma. Da bismo razumjeli ovo pitanje, potrebno je razmotriti još jedan koncept - faktor multiplikacije neutrona.
Razvoj lančane reakcije karakterizira takozvani faktor umnožavanja neutrona K, koji se mjeri omjerom broja Ni neutrona koji uzrokuju nuklearnu fisiju tvari u jednoj od faza reakcije prema broju Ni. -1 neutrona koji su izazvali fisiju u prethodnoj fazi reakcije:
Faktor umnožavanja zavisi od brojnih faktora, posebno od prirode i količine fisionog materijala, kao i od geometrijskog oblika zapremine koju zauzima. Ista količina date supstance ima različitu vrijednost K. K je maksimalan ako supstanca ima sferni oblik, jer će u tom slučaju gubitak brzih neutrona kroz površinu biti najmanji.
Masa fisionog materijala u kojoj se odvija lančana reakcija sa faktorom množenja K = 1 naziva se kritična masa. U malim komadićima uranijuma, većina neutrona, bez udara u jezgro, izleti.
Vrijednost kritične mase određena je geometrijom fizički sistem, njegovu strukturu i vanjsko okruženje. Dakle, za loptu od čistog uranijuma kritična masa je 47 kg (loptica prečnika 17 cm). Kritična masa uranijuma može se višestruko smanjiti upotrebom takozvanih neutronskih moderatora. Činjenica je da neutroni koji nastaju raspadom jezgara uranijuma imaju previsoke brzine, a vjerovatnoća hvatanja sporih neutrona jezgrima uranijuma-235 je stotine puta veća od one brzih. Najbolji moderator neutrona je teška voda D2O (deuterijum i kiseonik). Obična voda, u interakciji s neutronima, sama se pretvara u tešku vodu.
Dobar moderator je i grafit, čija jezgra ne upijaju neutrone. Nakon elastične interakcije sa jezgrima deuterija ili ugljika, neutroni se usporavaju do toplinskih brzina.
Upotreba neutronskih moderatora i posebne berilijumske ljuske koja odbija neutrone omogućava smanjenje kritične mase na 250 g.
Sa faktorom množenja K = 1, broj fisijskih jezgara se održava na konstantnom nivou. Ovaj način rada je predviđen u nuklearnim reaktorima.
Ako je masa nuklearnog goriva manja od kritične mase, tada je faktor množenja K
Ako je masa nuklearnog goriva veća od kritične, tada je faktor množenja K > 1 i svaka nova generacija neutrona uzrokuje sve više divizije. Lančana reakcija raste poput lavine i ima karakter eksplozije, praćena ogromnim oslobađanjem energije i povećanjem temperature okoline na nekoliko miliona stepeni. Lančana reakcija ove vrste nastaje kada atomska bomba eksplodira.
Nuklearni reaktor. Termonuklearna fuzija.
Dakle, prije nego što govorimo o termonuklearnim i nuklearnim reakcijama, predlažem da malo analizirate i
uporedi ih.
Termonuklearna reakcija je reakcija nuklearne fuzije u kojoj lakši elementi (teški izotopi vodika - deuterijum i tricij) formiraju bjelje teške - helijum.
Nuklearna reakcija je nuklearna lančana reakcija u kojoj se lakši elementi formiraju od težih elemenata.
U praksi, razlika je u tome što je reakciju nuklearne fisije relativno lako kontrolisati, što se ne može reći za termonuklearnu reakciju, pa su, osim vojnog značaja, važne i miroljubive nuklearne elektrane.
Naučnici se još uvijek bore da pronađu jeftin način za kontrolu reakcije termonuklearne fuzije, ali za sada bezuspješno. Ako govorimo o njihovim sličnostima, tada se u obje reakcije oslobađa velika količina topline, ali u termonuklearnoj fuziji još je više.
Nuklearni reaktor 
Nuklearni reaktor je postrojenje koje sadrži nuklearno gorivo u kojem se odvija kontrolirana lančana reakcija fisije.
Princip rada nuklearnog reaktora
Tokom raspada uranijuma U 235 oslobađa se toplota, praćena oslobađanjem dva ili tri neutrona. Prema statistici - 2,5. Ovi neutroni se sudaraju sa drugim atomima uranijuma U 235 . U sudaru se uranijum U 235 pretvara u nestabilan izotop U 236, koji se gotovo odmah raspada na Kr 92 i Ba 141 + ta ista 2-3 neutrona. Propadanje je praćeno oslobađanjem energije u obliku gama zračenja i topline.To se zove lančana reakcija. Atomi se dijele, broj raspada se eksponencijalno povećava, što na kraju dovodi do munjevitog, po našim standardima, oslobađanja ogromne količine energije - događa se nuklearna eksplozija kao posledica nekontrolisane lančane reakcije.
Nuklearni reaktori rade na brzim i sporim neutronima:
Reaktor na brzim neutronima - nuklearni reaktornuklearna lančana reakcijaneutronisa energijom > 10 5 eV. RReaktori se značajno razlikuju po neutronskom spektru – raspodjeli neutrona po energiji, a samim tim i po spektru apsorbiranih (koji izazivaju nuklearnu fisiju) neutrona. Ako jezgro ne sadrži lake jezgre posebno dizajnirane za usporavanje kao rezultat elastičnog raspršenja, tada je gotovo svo usporavanje posljedica neelastičnog raspršenja neutrona teškim i srednjim jezgrama. U ovom slučaju, većinu fisija izazivaju neutroni s energijama reda desetina i stotina keV. Takvi reaktori se nazivaju reaktori na brzim neutronima.
Reaktor na sporim (termalnim) neutronima- nuklearni rektor koristiti za održavanjenuklearna lančana reakcija neutroni termalni dio energetskog spektra -"termički spektar". Upotreba neutrona termičkog spektra je korisna jer se poprečni presjek interakcije jezgara uranijuma-235 s neutronima koji učestvuju u lančanoj reakciji povećava kako se energija neutrona smanjuje, dok jezgra uranijuma-238 ostaju konstantna pri niskim energijama. Kao rezultat, samoodrživa reakcija pomoću prirodnog uranijuma, u kojem je fisijski izotop 235 U je samo 0,7%, nemoguće je na brzim neutronima (spektar fisije) i moguće na sporim (termalnim) neutronima.
Jednostavna razmatranja pokazuju da fisija uranijuma na dva fragmenta mora biti praćena oslobađanjem ogromne energije. Stoga, kada se jezgro uranijuma podijeli na dva fragmenta, energija jednaka približno 1,1 MeV po nukleonu bi trebala biti oslobođena. Ukupno, tokom fisije jezgra uranijuma koje sadrži više od 200 nukleona, trebala bi se osloboditi energija reda veličine 200 MeV.
Najveći dio energije fisije oslobađa se u obliku kinetičke energije fisijskih fragmenata i neutrona. Dio energije se oslobađa u obliku gama zračenja.
Shema procesa u nuklearnom reaktoru: (kada se koristi moderator reakcije)
O
Glavni elementi nuklearnog reaktora:
1) nuklearno gorivo (i dr.);
2) moderator neutrona (teška ili obična voda, berilijum, berilijum oksid itd.);
3) rashladno sredstvo za proizvodnju energije koja nastaje tokom rada reaktora (voda, tečni natrijum, itd.);
4) Uređaj za kontrolu brzine reakcije (šipke koje sadrže kadmijum ili bor uvedene u radni prostor reaktora - supstance koje dobro apsorbuju neutrone).
Napolju, reaktor je okružen zaštitnim omotačem koji zadržava γ-zračenje i neutrone. Oklop je izrađen od betona sa gvozdenim punilom.
hvatanje neutrona- vrsta nuklearne reakcije u kojoj se jezgro atoma spaja s neutronom i formira teže jezgro:(A, Z) + n → ( A+1, Z) + γ.
Neutron se može približiti jezgru čak i pri kinetičkoj energiji skoro nulti, jer je električno neutralan, za razliku od pozitivno nabijenog protona, koji se može uhvatiti samo pri dovoljno visokoj energiji da prevlada elektrostatičko odbijanje.
Reaktori na brzim neutronima:
prednost:
njihov rad proizvodi značajnu količinu plutonija, koji se zatim može koristiti kao nuklearno gorivo.
Ovi reaktori se nazivaju reaktorima za razmnožavanje jer proizvode fisijski materijal.
Prilikom fuzije lakih jezgara i formiranja novog jezgra trebalo bi da se oslobodi velika količina energije. To se vidi iz zavisnosti specifične energije vezivanja o masenom broju A.
Sve do jezgara sa masenim brojem od oko 60, specifična energija vezivanja nukleona raste sa povećanjem A. Dakle, sinteza bilo kojeg jezgra sa A
Reakcije fuzije lakih jezgara se nazivaju termonuklearne reakcije jer mogu da procure samo na veoma visokim temperaturama. Da bi dvije jezgre ušle u reakciju fuzije, moraju se približiti na udaljenosti djelovanja nuklearnih sila reda veličine 2·10 -15 m, savladavajući električno odbijanje svojih pozitivnih naboja. Za to, prosječna kinetička energija toplinskog kretanja molekula mora biti veća potencijalna energija Kulonova interakcija. Proračun potrebne temperature za to T dovodi do vrijednosti reda 10 8 -10 9 K. Ovo je izuzetno visoka temperatura. Na ovoj temperaturi supstanca je u potpuno jonizovanom stanju, što se naziva plazma
.5 stanje tijela. Ne postoje materijali na svijetu koji bi mogli izdržati takve temperature.
Energija koja se oslobađa u termonuklearnim reakcijama po nukleonu je nekoliko puta veća od specifične energije koja se oslobađa lančane reakcije nuklearna fisija. Tako, na primjer, u reakciji fuzije jezgri deuterija i tricija
|
Oslobađa se 3,5 MeV/nukleon. Ukupno se u ovoj reakciji oslobađa 17,6 MeV. Ovo je jedna od najperspektivnijih termonuklearnih reakcija.
Implementacija kontrolisane termonuklearne reakcije dat će čovječanstvu novi ekološki prihvatljiv i praktično neiscrpan izvor energije. Međutim, postizanje ultravisokih temperatura i održavanje plazme zagrijanom na milijardu stepeni je najteži naučni i tehnički zadatak na putu implementacije kontrolisane termonuklearne fuzije.
U ovoj fazi razvoja nauke i tehnologije, samo nekontrolisana reakcija fuzije u hidrogenskoj bombi. Toplota, neophodna za nuklearnu fuziju, ovdje se postiže eksplozijom konvencionalne uranijumske ili plutonijumske bombe.
Termonuklearne reakcije igraju izuzetno važnu ulogu u evoluciji Univerzuma. Energija zračenja Sunca i zvijezda je termonuklearnog porijekla.
Vrste reakcija:
1) Reakcija deuterij + tricij (gorivo D-T)
Najlakše izvediva reakcija je deuterijum + tricij:2 H + 3 H = 4 He + n za izlaznu energiju od 17,6 MeV (MeV).
Ova reakcija se najlakše provodi u smislu moderne tehnologije, daje značajan prinos energije, komponente goriva su jeftine. Nedostatak je oslobađanje neželjenog neutronskog zračenja.
Dva jezgra: deuterijum i tricijum spajaju se u jezgro helija (alfa česticu) i neutron visoke energije:
2) Reakcija deuterijum + helijum-3
Mnogo je teže, na granici mogućeg, izvesti reakciju deuterijum + helijum-32 H + 3 He = 4 He + p sa izlaznom energijom od 18,4 MeV.
Uslovi za postizanje toga su mnogo komplikovaniji. Helijum-3 je takođe redak i izuzetno skup izotop. AT industrijske razmjere trenutno nije proizveden. Međutim, može se dobiti iz tritijuma, dobivenog u nuklearnim elektranama; ili minirano na mjesecu.
Složenost provođenja termonuklearne reakcije može se okarakterizirati trostrukim proizvodom ntτ (gustina po temperaturi po vremenu zadržavanja). Prema ovom parametru, reakcija D-3 He je oko 100 puta teža od D-T.
3) Reakcija između jezgri deuterijuma (D-D, monopropelant)
Moguće su i reakcije između jezgri deuterijuma, one su malo teže od reakcija koje uključuju helijum-3:Pored glavne reakcije u DD-plazmi, javljaju se i sljedeće:
Ove reakcije se polako odvijaju paralelno sa reakcijom deuterij + helijum-3, a tricijum i helijum-3 nastaju u toku njih sa vrlo vjerovatno odmah reagovati sa deuterijumom.
Druge vrste reakcija
Moguće je i nekoliko drugih vrsta reakcija. Izbor goriva zavisi od mnogih faktora - njegove dostupnosti i niske cene, prinosa energije, lakoće postizanja uslova potrebnih za reakciju fuzije (prvenstveno temperature), potrebnih projektnih karakteristika reaktora itd.Uslovi:
Kontrolisana termonuklearna fuzija je moguća uz istovremeno ispunjenje dva uslova:
Brzina sudara jezgara odgovara temperaturi plazme:
Usklađenost sa Lawsonovim kriterijem:
Gdje n- visokotemperaturna gustina plazme, τ - vrijeme zadržavanja plazme u sistemu.
Vrijednost ova dva kriterija uglavnom određuje brzinu određene termonuklearne reakcije.
OSNOVNI KONCEPTI
Elementarna čestica- najmanje čestice materije, pod uslovom da nisu atomska jezgra i atomi (izuzetak je proton); iz tog razloga se nazivaju subnuklearnim.Spin(od engleskog spin - okretanje, rotacija) - unutrašnji moment količine gibanja elementarnih čestica, koji ima kvantna priroda i nije u vezi sa kretanjem čestice kao celine. Spin se također naziva pravim kutnim momentom atomskog jezgra ili atoma; u ovom slučaju spin je definisan kao vektorska suma(izračunati prema pravilima sabiranja momenata u kvantnoj mehanici) spinova elementarnih čestica koje formiraju sistem, i orbitalnih momenata ovih čestica, zbog njihovog kretanja unutar sistema. ( S)
Antičestica- čestica blizanaca neke druge elementarne čestice, koja ima istu masu i isti spin, ali se od nje razlikuje po znacima nekih karakteristika interakcije.
Klasifikacija elementarnih čestica
Na sadašnjem nivou znanja 12 čestica i 12 antičestica, kao i 12 nosilaca interakcija, smatraju se elementarnim. Sve elementarne čestice su fermioni (s=1/2ħ), a svi nosioci interakcije su bozoni (s=1ħ).U slobodnom stanju se posmatra samo 6 (od 12) elementarnih čestica. To su leptoni: elektron e- , mion μ - , taon τ - , elektronski neutrino ν e , mionski neutrino ν μ , i taon neutrino ν τ . Antineutrini i pozitivno nabijeni leptoni smatraju se antičesticama. Leptoni su slabo interakcijske čestice.
Preostalih 6 elementarnih čestica - kvarkova - postoji samo u vezanom stanju. Ovo važi i za 6 antikvarkova. Kvarkovi i antikvarkovi su čestice koje imaju snažnu interakciju.
Vrste klasifikacije:
Veličina leđa
bozoni - čestice sa cjelobrojnim spinom (na primjer, foton, gluon, mezon)
fermioni - čestice sa polucijelim spinom (na primjer, elektron, proton, neutron, neutrino)
Po vrsti interakcije
Kompozitne čestice
hadrona - čestice koje učestvuju u svim vrstama fundamentalnih interakcija. Sastoje se od kvarkova i dijele se, zauzvrat, na
mezoni- hadroni sa cjelobrojnim spinom, odnosno bozoni;
barioni- hadroni sa polucijelim spinom, odnosno fermioni. To uključuje, posebno, čestice koje čine jezgro atoma - proton i neutron.
Hadroni i leptoni formiraju materiju. Gauge bozoni su kvanti različite vrste interakcije.
Positron. Uništenje. Otkriće pozitrona, čestice slične po svojim karakteristikama elektronu, ali ima pozitivan jedinični naboj za razliku od elektrona, bio je izuzetno važan događaj u fizici. Davne 1928. P. Dirac je predložio jednačinu za opis relativističkog kvantna mehanika elektron. Pokazalo se da Diracova jednadžba ima dva rješenja, sa pozitivnom i negativnom energijom. Stanje s negativnom energijom opisuje česticu sličnu elektronu, ali ima pozitivnu električni naboj. Pozitron je bio prva čestica koja je otkrivena u klasi čestica zvanih antičestice. Prije otkrića pozitrona, nejednaka uloga pozitivnih i negativnih naboja u prirodi činila se neobjašnjivom. Zašto postoji težak pozitivno nabijen proton, a ne postoji teška čestica s masom protona i negativnim nabojem? Ali postoji svjetlosni negativno nabijen elektron. Otkriće pozitrona je u suštini obnovilo simetriju naboja za svjetlosne čestice i suočilo fizičare s problemom pronalaženja antičestice za proton. Još jedno iznenađenje je da je pozitron stabilna čestica i može postojati u praznom prostoru neograničeno. Međutim, kada se sudare elektron i pozitron, oni se anihiliraju. Elektron i pozitron nestaju, a umjesto njih se rađaju dva -kvanta |
Paradoksi beta raspada. NeutrinoOdgovor na ovo pitanje dao je 1932. godine, godinu dana nakon otkrića neutrona, italijanski fizičar Enriko Fermi u svojoj teoriji -raspada. -Propadanje je u određenom smislu analogno emisiji fotona od strane pobuđenih atoma. U jezgru nema ni elektrona ni fotona u atomu do trenutka emisije, a i foton i elektron nastaju u procesu raspadanja. Proučavanje procesa raspadanja pokazalo je da emisija elektrona nije uzrokovana elektromagnetskom interakcijom i ne nuklearnom interakcijom, već novom vrstom interakcije koja je još nepoznata u fizici. Ova interakcija je nazvana slaba interakcija. U budućnosti je fizici donijela mnoga neočekivana i senzacionalna otkrića.Proučavanje fenomena -raspada predstavljalo je ozbiljan problem za fizičare. Činilo se da eksperimentalne činjenice nisu u skladu sa zakonima održanja energije, količine gibanja i ugaonog momenta. Da bi se sačuvali ovi zakoni, W. Pauli je 1930. godine predložio da se u procesu -raspada, uz lako uočljivi elektron, rodi još jedna laka čestica s nultim nabojem, nultom masom mirovanja i spinom 1/2. Budući da je neutrino emitiran zajedno s elektronom tokom procesa raspadanja, mogao je odnijeti nedostajuću energiju, impuls i ugaoni moment. Da bi se testirala Paulijeva hipoteza, bilo je potrebno eksperimentalno detektovati neutrine. Međutim, svojstva neutrina koje je predvidio Pauli otežavala su njegovo otkrivanje. Činjenica je da je neutrino morao da ima veoma slabu interakciju sa materijom. Mogao bi preletjeti hiljade kilometara materije bez interakcije. Presek za interakciju neutrina sa energijom od nekoliko MeV sa atomskim jezgrima ~ 10 -34 cm 2. (Razvoj takvih oblasti u nauci kao što su neutrina astrofizika i neutrina geofizika povezan je sa kolosalnom prodornom snagom neutrina. Neutrini nose informacije o procesima u centru Sunca, o procesima koji se dešavaju u ranom Univerzumu i završnim fazama evolucije zvezda.) Eksperimentalni pokušaji da se neutrini direktno registruju trajali su skoro dvadeset godina. Tek 1953. godine, kao rezultat vrlo složenog eksperimenta, F. Reines i K. Cowen uspjeli su registrovati antineutrine. (Antineutrino je registrovan reakcijom e + p → n + e +. Izvor antineutrina bio je atomski reaktor, u kojem se antineutrini proizvode u velikim količinama.). Paulijeva hipoteza dobila je briljantnu potvrdu. |
Božuri - kvanti nuklearnog poljaPrisustvo neutrona i protona u atomskom jezgru postavilo je fizičarima problem proučavanja prirode nuklearnih interakcija koje vežu ove čestice u jezgru. Godine 1934. H. Yukawa je predvidio novu česticu - kvant nuklearnog polja. Prema Yukawa hipotezi, interakcija između nukleona nastaje kao rezultat emisije i apsorpcije ovih čestica. Oni definiraju nuklearno polje po analogiji sa elektromagnetno polje, koji nastaje kao rezultat razmjene fotona
Interakcija između nukleona koja je rezultat razmjene mase m kvanta dovodi do pojave potencijala
Gdje je g i konstanta interakcije čestica s poljem kvanta koji nose nuklearnu interakciju. Obratite pažnju na poznate činjenice da su nuklearne sile kratkog dometa i imaju karakterističan raspon od ~1 fm, Yukawa je procijenio masu kvanta nuklearnog polja na ~200 MeV. Jukavina predviđena čestica
trebalo je da zauzima srednju vrijednost mase između elektrona i protona i nazvan je mezon od grčke riječi meso – prosjek. Nakon predviđanja svojstava mezona, započela je energetska potraga za ovom česticom. A već dvije godine kasnije, 1937., čestica čija je masa mirovanja jednaka oko 200 masa mirovanja elektrona otkrivena je u kosmičkim zracima pomoću komore za oblake. U početku se smatralo da je ovo mezon koji je predvidio Yukawa. Međutim, detaljnije proučavanje svojstava ove čestice pokazalo je da mezoni koji se nalaze u kosmičkim zracima ne reaguju dovoljno snažno sa neutronima i protonima, kao što bi trebalo da bude za nosioce nuklearne interakcije. Nisu bili zarobljeni atomskim jezgrima, već su se raspadali emisijom elektrona. Početni entuzijazam zamijenjen je nekim razočaranjem. Konačno, 1947. godine, takođe u kosmičkim zracima, otkrivena je još jedna čestica koja je snažno interagovala sa protonima i neutronima i bila je upravo ona čestica koju je Jukava predvideo. Zvao se π-mezon ili pion. Postoje tri varijante π mezona: negativno nabijeni π - -mezon s masom od ~140 MeV, njegova pozitivno nabijena antičestica π + -mezon i neutralni π 0 -mezon s masom od ~135 MeV. Ponašaju se na isti način u odnosu na jake interakcije. Stoga, baš kao što se proton i neutron spajaju u izotopski dublet, pioni se spajaju u izotopski triplet. |
.
LeptoniČestica otkrivena 1937. zvala se i mezon, μ mezon. Ima masu od ~106 MeV i postoji u dvije varijante - negativno nabijena čestica i pozitivno nabijena antičestica. Danas se preferira da se mion zove mion. Mioni su nestabilne čestice i raspadaju se prema shemiμ - e - + ν e + μ , μ + e + + e + ν μ , Sa formiranjem u konačnom stanju elektrona (pozitron), elektronskog neutrina (antineutrino) i mionskog antineutrina μ (neutrino ν μ). Na činjenicu da su elektronski i mionski neutrini različite čestice prvi su ukazali M. Markov i Yu. Schwinger 1957. godine. Ova hipoteza je potvrđena 1962. godine u eksperimentima na akceleratoru u Brookhavenu. Pokazalo se da interakcija mionskih neutrina stvara mione ν μ + np + μ - I ne rađaju se elektroni ν μ + n p + e - . Mioni, elektroni i neutrini pripadaju porodici leptona. Još jednu česticu ove porodice, lepton (taon), otkrio je M. Perl 1979. godine u reakciji e + + e - τ + + τ - . Gotovo je dvostruko teži od protona i može se raspasti ne samo kao mion na leptone, već i na hadrone. M(e) M( e) + m(ν μ) + m(ν τ) |
Do 20-ih godina 20. stoljeća, fizičari više nisu sumnjali da atomska jezgra koje je otkrio E. Rutherford 1911. godine, kao i sami atomi, imaju složenu strukturu. U to su ih uvjerile brojne eksperimentalne činjenice akumulirane do tada: otkriće radioaktivnosti, eksperimentalni dokaz nuklearnog modela jezgra, mjerenje omjera e/m za elektron, α-česticu i za tzv. nazvana H-čestica - jezgro atoma vodika, otkriće umjetne radioaktivnosti i nuklearne reakcije, mjerenje naboja atomskih jezgri, itd. Sada je čvrsto utvrđeno da da se atomska jezgra raznih elemenata sastoje od dvije čestice – protona i neutrona.
Prva od ovih čestica je atom vodika iz kojeg je uklonjen samo jedan elektron. Ova čestica je već uočena u eksperimentima J. Thomsona (1907), koji je uspio izmjeriti omjer e/m u njoj. Godine 1919. E. Rutherford je otkrio jezgra atoma vodika u produktima fisije jezgara atoma mnogih elemenata. Rutherford je ovu česticu nazvao proton. On je sugerirao da su protoni dio svih atomskih jezgara. Šema Rutherfordovih eksperimenata prikazana je na sl. jedanaest.
Rutherfordov uređaj se sastojao od evakuirane komore u kojoj se nalazio kontejner K sa izvorom α-čestica. Prozor komore je bio prekriven metalnom folijom F, čija je debljina odabrana tako da α-čestice ne mogu prodrijeti kroz njega. Izvan prozora je bio paravan E, obložen cink sulfidom. Koristeći mikroskop M, bilo je moguće uočiti scintilacije na mjestima gdje teške nabijene čestice udaraju u ekran. Kada je komora napunjena dušikom pod niskim pritiskom, na ekranu su se pojavili svjetlosni bljeskovi koji su ukazivali na pojavu strujanja nekih čestica sposobnih da prodru kroz F foliju, što je gotovo potpuno blokiralo protok α-čestica.
Odmaknuvši ekran E od prozora kamere, mjerio je Rutherford znači slobodan put uočene čestice u vazduhu. Ispostavilo se da je približno jednaka 28 cm, što se poklopilo sa procjenom dužine putanje H-čestica koju je ranije uočio J. Thomson. Studije uticaja na čestice koje su izbačene iz jezgri dušika električnim i magnetskim poljem pokazale su da te čestice imaju pozitivan elementarni naboj i da je njihova masa jednaka masi jezgra atoma vodika. Nakon toga, eksperiment je izveden s nizom drugih plinovitih tvari. U svim slučajevima utvrđeno je da α-čestice izbijaju H-čestice ili protone iz jezgara ovih supstanci. Prema savremenim mjerenjima, pozitivni naboj protona je tačno jednak elementarnom naboju e = 1,60217733 10 -19 C, odnosno jednak je po apsolutnoj vrijednosti negativnom naboju elektrona. Trenutno je jednakost naboja protona i elektrona provjerena sa tačnošću od 10-22. Takva podudarnost naboja dvije različite čestice je iznenađujuća i ostaje jedna od temeljnih misterija moderne fizike.
Slika 11. Šema Rutherfordovih eksperimenata za detekciju protona u produktima nuklearne fisije. K - olovni kontejner sa radioaktivnim izvorom α-čestica, F - metalna folija, E - ekran obložen cink sulfidom, M - mikroskop.
masa protona, prema savremenim mjerenjima, jednako je mp = 1,67262 10 -27 kg. U nuklearnoj fizici, masa čestice se često izražava u jedinicama atomske mase (a.m.u.) jednakim 1/12 mase atoma ugljika s masenim brojem 12:1 a.u. e.m. = 1,66057 10 -27 kg.
Dakle, m p = 1,007276 a. e. m. U mnogim je slučajevima zgodno izraziti masu čestice u ekvivalentnim vrijednostima energije u skladu s formulom E = mc 2 . Pošto je 1 eV = 1,60218 10 -19 J, u energetskim jedinicama masa protona je 938,272331 MeV. Tako je u Rutherfordovom eksperimentu otkrivena pojava cijepanja jezgara dušika i drugih elemenata pri udaru brzih α-čestica, te se pokazalo da su protoni dio jezgara atoma. Nakon otkrića protona, sugerirano je da se jezgra atoma sastoje samo od protona. Međutim, ispostavilo se da je ova pretpostavka neodrživa, jer omjer naboja jezgra i njegove mase ne ostaje konstantan za različite jezgre, kao što bi bio da su u sastav jezgara uključeni samo protoni. Za teže jezgre ovaj omjer se ispostavlja manjim nego za laka, odnosno pri prelasku na teža jezgra masa jezgra raste brže od naboja. Godine 1920. Rutherford je pretpostavio postojanje kruto vezanog kompaktnog para proton-elektron u sastavu jezgara, koji je električki neutralna formacija - čestica čija je masa približno jednaka masi protona. Čak je smislio ime za ovu hipotetičku česticu - neutron.
Bila je to vrlo lijepa, ali, kako se kasnije pokazalo, pogrešna ideja. Elektron ne može biti dio jezgra. Kvantno-mehanički proračun zasnovan na relaciji nesigurnosti pokazuje da elektron lokalizovan u jezgru, odnosno oblast veličine R ≈ 10–13 cm, mora imati kolosalnu kinetičku energiju, mnogo redova veličine veću od nuklearna energija vezivanja po čestici. Ideja o postojanju teške neutralne čestice Rutherfordu se učinila toliko privlačnom da je odmah pozvao grupu svojih učenika, predvođenih Jamesom Chadwickom, da potraže takvu česticu. Dvanaest godina kasnije, 1932. godine, Chadwick je eksperimentalno istražio zračenje koje se javlja kada se berilij ozrači α-česticama i otkrio da je to zračenje mlaz neutralnih čestica mase približno jednake masi protona. Ovako je otkriven neutron. Na sl. 12 prikazuje pojednostavljeni dijagram podešavanja za detekciju neutrona.
Kada se berilij bombarduje α-česticama koje emituje radioaktivni polonijum, nastaje jako prodorno zračenje koje može savladati takvu prepreku kao što je sloj olova debljine 10–20 cm. Ovo zračenje su gotovo istovremeno sa Chadwickom uočili supružnici Joliot-Curie Irene i Frederic (Irene je kćerka Pjera Kirija), ali su pretpostavili da su to visokoenergetski γ-zraci. Otkrili su da ako se parafinska ploča postavi na put zračenja berilijuma, tada se ionizirajuća moć ovog zračenja naglo povećava. Oni su dokazali da berilijumsko zračenje izbija protone iz parafina, koji su prisutni u velikim količinama u ovoj tvari koja sadrži vodonik. Na osnovu slobodnog puta protona u vazduhu, procenili su energiju γ-kvanta koji je u stanju da prenese potrebnu brzinu protonima u sudaru.
Ispostavilo se da je ogroman - oko 50 MeV. J. Chadwick je 1932. godine izveo niz eksperimenata na sveobuhvatnom proučavanju svojstava zračenja koje nastaje zračenjem berilijuma α-česticama. U svojim eksperimentima, Chadwick je koristio različite metode za proučavanje jonizujućeg zračenja. Na sl. 12 prikazuje Geigerov brojač dizajniran za detekciju nabijenih čestica. Sastoji se od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke niti koja ide duž ose cijevi (anode). Cev je napunjena inertnim gasom (obično argonom) pod niskim pritiskom. Nabijena čestica koja leti kroz plin uzrokuje jonizaciju molekula. Slobodni elektroni koji su nastali kao rezultat ionizacije ubrzavaju se električnim poljem između anode i katode do energija pri kojima počinje udarna ionizacija. Pojavljuje se lavina jona, a kratki impuls struje pražnjenja prolazi kroz brojač. Drugi važan instrument za proučavanje čestica je takozvana komora oblaka, u kojoj brzo nabijena čestica ostavlja trag (trag). Putanja čestice se može posmatrati direktno ili fotografisati.
Slika 12. Šema podešavanja za detekciju neutrona.
Djelovanje komore za oblake, stvorene 1912. godine, zasniva se na kondenzaciji prezasićene pare na jonima koji nastaju u radnom volumenu komore duž putanje nabijene čestice. Koristeći komoru za oblak, može se promatrati zakrivljenost putanje nabijene čestice u električnom i magnetskom polju. J. Chadwick je u svojim eksperimentima uočio u komori oblaka tragove jezgara dušika koje su doživjele sudar sa berilijumskim zračenjem. Na osnovu ovih eksperimenata, on je napravio procjenu energije γ-kvanta, koji je sposoban da informiše jezgre dušika o brzini uočenoj u eksperimentu. Ispostavilo se da je to 100–150 MeV. Tako ogromna energija ne bi mogla imati γ-kvante koje emituje berilijum. Na osnovu toga, Chadwick je zaključio da iz berilija, pod djelovanjem α-čestica, ne izlete bezmaseni γ-kvant, već teške čestice.
Budući da su ove čestice bile vrlo prodorne i nisu direktno ionizirale plin u Geigerovom brojaču, stoga su bile električno neutralne. Ovako je dokazano postojanje. neutron- čestice koje je Rutherford predvidio više od 10 godina prije Chadwickovih eksperimenata. Neutron je elementarna čestica. Ne treba ga predstavljati kao kompaktan par proton-elektron, kao što je prvobitno predložio Rutherford. Prema modernim mjerenjima, masa neutrona m n = 1,67493 10 -27 kg = 1,008665 a.u. e. m. U energetskim jedinicama, masa neutrona je 939,56563 MeV. Masa neutrona je otprilike dvije mase elektrona veća od mase protona. Neposredno nakon otkrića neutrona, ruski naučnik D. D. Ivanenko i njemački fizičar V. Heisenberg iznijeli su hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi atomskih jezgara, koja je u potpunosti potvrđena kasnijim istraživanjima.
Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni. Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara. Broj protona koji čine atomsko jezgro označava se simbolom Z i naziva se broj naplate ili atomski broj (ovo je serijski broj u periodnom sistemu Mendeljejeva). Nuklearni naboj je Ze, gdje je e elementarni naboj. Broj neutrona je označen simbolom N. Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) se naziva maseni broj A: A=Z+N.
Jezgra hemijskih elemenata su označena simbolom , gde je X hemijski simbol elementa. Na primjer, - vodonik, - helijum, - kiseonik, - ugljenik, - uranijum. Jezgra istog hemijskog elementa mogu se razlikovati po broju neutrona. Takva jezgra se nazivaju izotopi. Većina hemijskih elemenata ima nekoliko izotopa. Na primjer, vodonik ima tri izotopa: - obični vodonik, - deuterijum i - tricijum. Ugljenik ima 6 izotopa, kiseonik ima 3. Hemijski elementi u prirodnim uslovima su obično mešavina izotopa. Prisustvo izotopa određuje vrijednost atomske mase prirodnog elementa u periodnom sistemu Mendeljejeva. Tako je, na primjer, relativna atomska masa prirodnog ugljika 12,011.
