Структура атомного ядра. Радиоактивность Постулаты Бора Лазеры.

План.

Атомное ядро и внутриядерные процессы.

Наблюдение и регистрация микрочастиц.

Состав ядра. Энергия связи. Ядерные реакции.

Опыты Резерфорда. Постулаты Бора.

Общие сведения об атомных ядра. Изотопы.

Ядерная физика — Это раздел физики, который изучает строение атомных ядер и процессы, в них происходят.

Согласно гипотезы Д. Д. Иваненко (1932 г.), которая сейчас является общепризнанной, все атомные ядра состоят из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона (+1,6 × 10 -19 Кл), и массу покоя mp = 1,67 · 10-27 кг. Нейтрон не имеет заряда, его масса совсем незначительно превышает массу протона: mn = 1,675 · 10-27 кг. Общее название протона и нейтрона — нуклоны. Массу ядер и элементарных частиц измеряют в атомных единицах массы (а. о. М.). Одна а. о. г. равна одной двенадцатой массы изотопа атома углерода С-12: 1,6 · 10-27 кг. Итак: mp »mn» 1 а. о. м Заряд атомного ядра произвольного химического элемента, полученный в элементарных зарядах, равно атомному номеру Z этого элемента. Итак: количество протонов в атомном ядре равно атомному номеру химического элемента (порядковому номеру в таблице Менделеева): Np = Z. Почти вся масса атома — это масса ядра. Масса ядра состоит из суммы масс нуклонов. Итак: сумма количеств протонов и нейтронов, полученная в а. о. г., равна массовому числу атома А, то есть ближнему целому числу к атомной массы: Np + Nn = A, т. е. количество нейтронов равняется разнице: Nn = A — Z. Атомные ядра обозначаются символом: X, где Х — символ химического элемента, А — массовое число, Z — атомный номер. Например: Не — ядро гелия, О — ядро кислорода и др..

Изотопы — это атомные ядра, которые имеют одинаковый заряд, но разное массовое число; есть имеют одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов. Для водорода такими изотопами являются: протий (легкий водород), дейтерий (тяжелый водород), тритий (сверхтяжелый водород), чотирьохнуклонний водород (без спецназвы). Обозначаются они так: протий, дейтерий, тритий. В соединении с кислородом они образуют: воду, тяжелую воду и сверхтяжелую воду. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек, поэтому их химические свойства одинаковы. В то же время физические свойства, связанные со строением ядра, значительно различаются. Существенным это имеет проявление в легких элементов. Главным фактором того, что атомная масса некоторых элементов в значительной степени отличается от целого числа является то, что большинство элементов — это смесь изотопов. Разделить эти изотопы возможно с помощью масс-спектрографа.

2. Наблюдение и регистрация микрочастиц.

На сегодняшний день существуют такие приборы для наблюдения и регистрации микрочастиц:

1.Личильник Гейгера — Мюллера. Он регистрирует каждую ионизирующую частицу; максимальное количество отсчетов до 10 000 частиц в 1 с. Работает по ионизационным принципу.

2. Сцинцилляцийний счетчик. Работает по принципу радиолюминисценции, есть специальное вещество освещает точку в месте попадания частиц радиационного излучения. Отмечает каждую микрочастицу, что попадает к счетчику, количество отсчетов на несколько порядков выше, чем в ионизационного счетчика.

3. Камера Вильсона и пузырьковая камера. Дают возможность фотографировать треки микрочастиц. 4. Толстые фотоэмульсии. Дают возможность наблюдать треки очень энергоемких частиц, я также дают возможность длительное время ожидать доли, которые очень редко встречаются в природе. Применение тех или иных средств обусловлено различными факторами протекания физических процессов в мире микрочастиц.

Биологическое действие излучения характеризуется дозой. Поглощенной дозой излучения D называется отношение поглощенной энергии ионизирующего излучения в массы облученного вещества: D =, [D] = Гр. =. Действие ионизирующего излучения на биологические объекты заключается в нарушении процессов клеточного деления. Природный фон радиации составляет на человека в год 2.10 -3 Гр. Доза более 3 Гр, полученная за короткое время, смертельна. Самый простой способ защиты — удаление на достаточно большое расстояние от источника излучения. От g — лучей защищает свинец, от медленных нейтронов — толстый слой цемента, бора, кадмия.

2. Ядерные силы.

Согласно теории Я. И. Френкеля, атомное ядро можно представить в виде капли жидкости, в которой нуклоны связаны между собой особыми силами, как в капле молекулы связаны силами молекулярного сцепления.

Ядерные силы — это особые силы при тяжести, которые связывают между собой нуклоны в ядре. Другое название ядерных сил — сильное взаимодействие. Эти силы действуют на очень малых расстояниях ~ 10-13 см и превышают кулоновские силы отталкивания между протонами на таких расстояниях. Ядерные силы — это силы особого рода, они не гравитационные и не электрические. На сегодняшний день достаточно вероятной считается мезонных теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют между собой путем обмена особыми элементарными частицами — мезонами. Наиболее устойчивыми являются ядра легких элементов, а в тяжелых элементов (расположенные после свинца в таблице Менделеева) ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядер, поэтому эти ядра могут самопроизвольно распадаться.

3. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада.

Естественная радиоактивность — это процесс самопроизвольного распада ядер химических элементов с превращением их в ядра более легких элементов.

Открытая естественная радиоактивность была в 1896 г. французским физиком А. А. Бекерелем относительно урановых солей, далее основательно исследовано это явление было П. Кюри и М. Кюри-Склодовской и Э. Резерфордом, которые открыли радиоактивность радия, полония, актиния, тория. Излучение этих радиоактивных элементов называется радиоактивного излучения (радиоактивные лучи). Опыты радиоактивных лучей в магнитном поле установили наличие трех компонент в излучении, а именно:

Альфа-лучи (α-лучи) — это поток ядер гелия Не — a-частицы. Они отклоняются в электрическом и магнитном полях. Имеют скорости от 14 до 20 000 км / с, что соответствует энергиям от 4 до 9 МэВ. Имеют высокую ионизирующую свойство (до 30 000 пар ионов на 1 см пробега) и малую длину свободного пробега (малую проникающую свойство) ~ 9 см в воздухе. Полностью поглощаются, например, толщей алюминия до 0,06 мм, или биотканью до 0,12 мм;

Бета-лучи (b-лучи) — поток электронов — β-частиц со скоростями до 160 000 км / с. Имеют непрерывный энергетический спектр, т. е. самые скорости и энергии. Ионизирующая свойство довольно мала, а проникающая свойство »в 100 раз выше, чем в a-частиц. Поглощаются лучи биотканью до 6 см толщиной. Одновременно с бета-частицей из ядра вылетает очень легкая незаряженным частица — нейтрино, поэтому эти две частицы совместно выносят из ядра всегда одинаковую энергию.

G-лучи — поток фотонов высоких энергий около 1 МэВ, то есть эти лучи чрезвычайно жестким электро-магнитном излучением с частотой до 10 — 20 Гц по свойствам вроде рентгеновского излучения. Эти лучи не отклоняются ни в магнитном ни в электрическом полях, распространяются со скоростью света, при прохождении через кристалл обнаруживают дифракцию. Но в отличие от рентгеновских лучей γ-лучи излучаются атомным ядром, а не электронными оболочками. Ионизирующая свойство мала, а проникающая свойство чрезвычайно высока: проходят сквозь тело человека насквозь, отдельные лучи могут пройти через слой свинца до 5 см толщиной.

В результате радиоактивного распада атомное ядро одного химического элемента превращается в атомные ядра других химических элементов, при этом выполняются так называемые законы смещения.

Вследствие a-распада заряд ядра уменьшается на две единицы, а массовое число уменьшается на четыре; элемент смещается в периодической таблице на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре а. А. М.: , например:.

Вследствие b-распада заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число практически не изменяется; элемент смещается в периодической таблице на один номер вправо без изменения массового числа. , например:. () (Нейтрино)

Радиоактивный распад ведет к уменьшению количества атомов радиоактивного элемента. Процесс распада носит вероятностный характер в отношении каждого конкретного атома. Количество атомов, распадающихся за время dt пропорциональна этом отрезке времени, а также общем количестве N атомов радиоактивного элемента:

DN = — λ N dt, где λ — постоянная распада данного элемента. Закон радиоактивного распада в математической форме имеет вид: , где N0 — число атомов в момент времени t = 0;

T — время, N — число атомов в момент времени t.

Период полураспада — это время, за которое количество атомов начального элемента уменьшается вдвое:

Т = 0,693 / λ. Среднее время жизни атома — величина, обратная постоянной распада λ элемента: τ = 1 / λ, или: τ = 1,44 Т.

Активность элемента — это количество атомных ропадив за 1С: . Измеряется в Кюри: 1Кы = 3,7 · 1010 распадов / с. На сегодняшний день известны четыре радиоактивные семейства химических элементов: 1) урана — радия: уран-238 (Т = 4,5 млрд. лет) → процесс радиоактивных распадов после нескольких последовательных распадов-преобразований завершается изотопом свинца-206, 2) нептуния: нептуний -237 (Т = 2,2 млн. лет) → изотоп висмута-209. Сейчас на Земле природного нептуния уже не существует, потому что он полностью распался, 3) актиния: актиноуран-235 (Т = 0,73 млрд. лет) → изотоп свинца-207, 4) тория: торий-232 (Т = 14 млрд. лет) → изотоп свинца-208.

5. Ядерные реакции.

Опыты над естественной радиоактивностью элементов доказали, что преобразование одного химического элемента в другой обусловлено внутриядерными процессами.

Поэтому были предприняты удачные попытки искусственным образом вызвать ядерные превращения.

Ядерная реакция — это процесс превращения атомных ядер одних элементов в другие в результате действия на них быстрых элементарных частиц или ядер других атомов.

Первая искусственная ядерная реакция была реализована в 1919г. Э. Резерфордом: ядра азота превратились в ядра изотопа кислорода под действием a-частиц от естественного радиоактивного препарата:

(A-ч.) (Р)

Вследствие еще одной искусственной ядерной реакции в 1932 г. Был обнаружен нейтрон (совершил реакцию Д. Чедвик):

,

Далее нейтроны устремились в камеру Вильсона с азотом и вызвали реакцию:

.

(A-ч.)

Все ядерные реакции протекают с излучением различных элементарных частиц и g — фотонов. Элементы многих ядерных реакций являются радиоактивными, и их называют искусственно радиоактивным и изотопами (это явление было открыто в 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри).

На сегодняшний день получены по несколько искусственных изотопов для каждого химического элемента. Многие из них используются в качестве меченых атомов в различных областях человеческой деятельности.

6. Энергия связи. Дефект масс атомного ядра.

Для того, чтобы осуществить ядерную реакцию, нужно выполнить работу против ядерных сил, которые удерживают нуклоны в ядре.

Энергия связи ядра — это энергия, которая нужна для разделения нуклонов в ядре, т. е. энергия разрыва ядерных связей между нуклонами.

Дефект массы ядра — это разница между суммой масс всех нуклонов ядра и массой целостного ядра из этих же нуклонов.

Энергия связи ядра и дефект массы ядра связаны простым соотношением:

, где DW — энергия связи,

D m — дефект массы ядра;

С — скорость света в вакууме.

Общая формула для расчета энергии связи ядра и его дефекта массы (вычисляется с большой точностью опытным путем) имеет вид:

,

[Дж]

Где А — массовое число; z — атомный номер элемента; mp — масса протона; mn — масса нейтрона.

В а. о. массы, и, учитывая связь между а. о. массы и энергией в эВ, можно получить:

,

[МэВ] а. А. Н. а. А. Н. а. А. Н.

Удельная энергия связи ядра — это энергия связи ядра, которое приходится на один нуклон:

ΔWпитома = DW / А.

Чем больше удельная энергия связи, тем прочнее ядро элемента. Наиболее устойчивые ядра элементов в середине таблицы Менделеева: у элементов с А »100 а. А. Н., DW »8,65 МэВ, в тяжелых элементов (урана): DW» 7,5 МэВ, в легких (гелия): DW »7 МэВ.

Каждая ядерная реакция сопровождается излучением или поглощением энергии.

Излучаемую энергию происходит при реакции деления тяжелых ядер в ядра с массовыми числами А ³ 100, а также вследствие ядерных реакций объединения (синтеза) легких ядер в одно более тяжелое ядро.

При деления ядра урана-238 (А1 = 238) на два атомных ядра (осколки) с массовыми числами А2 = 119 выделяется ядерная энергия: DW »261,8 МэВ:

Δ W = W2 — W1 = 238 × (8,6 МэВ — 7,5 МэВ) = 261,8 МэВ.

Для разделения ядра расходуется энергия связи 238-мы нуклонов, а в двух новых ядрах эта энергия (энергия связи) уже значительно больше: в уране ~ 7,5 МэВ на нуклон, а в ядрах с А2 = 119 ~ 8, 6 МэВ на нуклон.

При реакции синтеза, например, из двух ядер натрия 23Na (A1 = 23) ядра с массовым числом А2 = 46 тоже выделится ядерная энергия:

Δ W = W2 — W1 = 2 × 23 × (8,4 — 7,9) МэВ = 23 МэВ.

Итак, ядерная энергия, которая выделяется в результате реакции деления тяжелых ядер или реакций синтеза легких ядер, равна разности энергий связи продуктов реакций и энергии связи начального ядерного материала: ΔW = W2 — W1.

• Фрекцийни передачи детали машин
• Программа по проверке процесса стерилизации консервов
• Качество продукции это
• Методы определения температуры в молоке и молочных продуктах
• Виды переработки животных
• Классификация основных процессов пищевых производств.

Реферати :

• введение для опората АО111
• краткая характеристика разделов дисциплины "основы охраны труда"
• принципиальная схема печенья
• схема изготовления помадных конфет
• схема изготовления помадных конфет
• принципова технологічна схема печенья
• рулонотримач схема
• плоский рычажный механизм
• массовую долю сухих веществ в консервах определяют методом