bannerka.ua

Структура атомного ядра — часть 2

Цепная реакция. Ядерный реактор.

Делиться, то есть распадаться на две части, может только возбужденное ядро. Для возбуждения ядра нужно передать ему энергию возбуждения. Это возможно осуществить с помощью обстрела ядра α-частицами, протонами, но наиболее эффективно, с помощью нейтронов. Нейтроны не отталкиваются электростатическими силами от ядра, потому что они электронейтральные. В 1938 — 1939 гг Была теоретически обоснована возможность реакции деления ядер урана, обстреливаются нейтронами. Основываясь на капельной модели ядра, эту реакцию можно представить следующим образом.

Нейтрон n приближается к ядру урана U и захватуеться ним. Ядро урана вследствие этого становится возбужденным и деформируется. Если возбуждение недостаточно для реакции деления, то ядро урана излучает γ-фотон или нейтрон и снова возвращается к устойчивому состоянию. Если энергия возбуждения достаточно, то в ядре урана образуется перетяжка, аналогичная перетяжке между двумя частицами капли жидкости. Ядерные силы в этой перетяжке уже не могут противостоять кулоновским силам отталкивания одноименно заряженных частиц ядра. Перетяжка разрывается, и ядро делится на два осколки, которые разлетаются с большими скоростями в разные стороны. Одновременно с этим излучается два-три нейтрона, называемых мгновенных. Энергетический спектр мгновенных нейтронов соответствует очень широкому диапазону скоростей — от тепловых до 10 МэВ. Нейтроны со скоростями и энергией выше за 1,5 МэВ называются быстрых, а с меньшими энергиями — медленных нейтронов; с совсем маленькими энергиями — тепловые нейтроны. Осколки ядра урана являются радиоактивными: они излучают γ-фотоны, β-частицы и нейтроны; эти нейтроны излучаются с опозданием течение нескольких минут после реакции деления ядра. Количество этих поздних нейтронов достигает 1% от общего количества нейтронов, которые образуются при делении, но именно они дают возможность реализовать управляемую реакцию деления ядер урана.

Наиболее важными в практическом аспекте материалами для ядерных реакций деления оказались элементы: уран-238, актиноурана-235, изотоп урана-233 и плутоний-239. Ядра урана-238 делятся только под действием быстрых нейтронов; тепловые нейтроны поглощаются этим ураном без реакции деления. В результате реакции деления высвобождается огромная энергия, которая может быть уничтожая силой — ядерная бомба, или может быть использована в мирных целях — управляемая ядерная реакция в ядерных энергетических реакторах.

Для реализации управляемой ядерной реакции нужно реализовать управляемую цепную реакцию, в которой при каждом акте деления появляются нейтроны, из которых хотя бы один вызвал бы новый акт деления. Чтобы цепная реакция была управляемой нужно иметь коэффициент размножения нейтронов очень близок к единице: К = 1,005 — 1,006.

Коэффициент размножения нейтронов — это величина, измеряемая отношением количества нейтронов, вызывающих деление ядерного вещества на одном из этапов реакции, количеству нейтронов, которые вызвали разделение вещества на предыдущем этапе реакции:

К = Ni / Ni-1.

Цепная реакция вообще возможна лишь при условии, когда к очень незначительно превышает единицу; если к меньше единицу, реакция постепенно затухне.

Критическая масса ядерного вещества — это масса вещества, в котором цепная реакция протекает с коэффициентом размножения нейтронов К = 1.

Для ядерной бомбы нужно иметь массу большую критической (К> 1).

Ядерный энергетический реактор — это очень сложная физико-механическая строение, в котором в промышленных количествах получают ядерную энергию.

Чаще реактор работает на уране-235 (обогащения до 5%; природный уран имеет 0,7% урана-235 и 99,3% урана-238).

Цепная реакция происходит на тепловых нейтронах; пространство между урановыми стержнями (ТВЭЛами) заполнен замедлителем нейтронов — графитом. Вследствие цепной реакции, которая очень тщательно контролируется и управляется с помощью управляющих стержней, которые активно поглощают нейтроны, в активной зоне реактора поддерживается необходимый коэффициент К = 1; теплота, которая выделяется в объеме активной зоны, с помощью теплоносителя (вода, тяжелая вода, жидкий металл) отводится из активной зоны и попадает в парогенератор, где отдает свою энергию-тепло промышленном пару, далее теплота из активной зоны превращается в механическую, а затем в электрическую энергию. Наряду с выделением тепловой энергии в ядерном реакторе происходит образование и накопление нового ядерного элемента — плутония-239:

Структура атомного ядра - часть 2

(Т1 = 23 мин.) (Т2 = 2,3 суток) (Т3 = 24100 лет)

Ядерные энергетические реакторы используются главным образом на ядерных электрических станциях; также они нашли применение в качестве силовых установок на атомных ледоколах и атомных подводных лодках; имеют применение и как источники нейтронных струй и радиационных излучений для получения искусственных радиоактивных изотопов.

Реакция ядерного синтеза (термоядерная реакция). Энергия звезд.

Синтез двух или нескольких легких ядер в одно сопровождается выделением ядерной энергии. Например:

Структура атомного ядра - часть 2.

Это реакция синтеза ядра гелия из ядер дейтерия и трития. Если такую реакцию реализовать для всех ядер в 1 кг смеси дейтерия и трития, то высвободится огромная энергия W = 7,2 · 1014 Дж. Эта энергия более чем в восемь раз превышает энергию, получаемую при реакции деления 1кг урана-235. Чтобы реализовать реакцию синтеза нужно приблизить два ядра на расстояние действия кулоновских сил (~ 10-13 см), выполнив работу против кулоновских сил отталкивания. Следовательно, необходимым условием реакции синтеза являются значительная кинетическая энергия продуктов реакции (ядер) для выполнения работы против кулоновских сил отталкивания. Реакция синтеза будет экономически целесообразной только в случае нагрева смеси дейтерия и трития до огромных температур в десятки миллионов кельвинов. Только в этом случае средняя кинетическая энергия теплового движения атомов смеси достигнет нужного значения примерно 0,01 МэВ:

Структура атомного ядра - часть 2

Именно вследствие огромной температуры реакция синтеза называется термоядерной реакции. При такой температуре ядерное топливо является плазмой, т. е. состоит из свободных электронов и обнаженных ядер без электронных оболочек. В условиях Земли такая температура получена только в ядерном взрыве, поэтому и реакция синтеза практически реализована только в водородной (термоядерной) бомбе (реакция имеет взрывной тип, а не управляемое протекание). Реальные попытки управляемой термоядерной реакции, например на Токамак, успеха пока не имеют.

Термоядерные реакции достоверно является единственным источником энергии Солнца и звезд. Одна из таких реакций называется протонно-протонного цикла, ее следствием является объединение четырех протонов в ядро гелия с излучением γ-фотона, двух нейтрино и двух позитронов:

Структура атомного ядра - часть 2.

(Позитрон) (нейтрино)

Энергия, излучаемая в результате каждого р-р-цикла, составляет »25 МэВ, что соответствует 628 ГДж на 1 г водорода! Расчеты указывают, что водорода на Солнце довольно на длительный срок — несколько миллиардив лет.

1. Явления, подтверждающие сложность строения атома. До 70 лет XIX в. под атомами понимали неделимые частицы вещества. Однако к концу XIX в. стали известны факты, которые свидетельствовали, что атом — сложная электрическая система. Электризация тел трением, прохождение тока через жидкости i газы показали, что в состав атомов входят заряженные частицы. Исследуя катодное лучей, Дж.. Дж. Томсон (1856-1940) в 1897 г. открыл электрон i измерил его удельный заряд. Исследование открытого в 1896 г. А. Беккерелем (1852 — 1908) радиоактивного излучения свидетельствовало, что из атомов радиоактивных веществ вылетают положительно заряженные Структура атомного ядра - часть 2-частицы, отрицательно заряженные Структура атомного ядра - часть 2- частицы i Структура атомного ядра - часть 2Лучей.

Первая модель атома. В 1902 г. В. Кельвин (У. Томсон) (1824-1907) предложил модель атома: положительно заряженная шар, внутри которой находятся неподвижные электроны. Положительный и отрицательный заряды атома одинаковы. Однако такая система не устойчива. Поэтому Дж.. Дж. Томсон считал, что электроны колеблются i при этом излучают св1тло. С помощью этой модели невозможно было объяснить спектральные закономерности излучения атомов.

Опыты Э. Резерфорда. Решающее значение для теории строения атома имели опыты английского физика Э. Резерфорда (1871 -1937), который изучал рассеяние пучка Структура атомного ядра - часть 2- частиц при прохождении их через тонкую металлическую фольгу (1913 г.).

Результаты опыта: 1) большинство Структура атомного ядра - часть 2- частиц проходит через фольгу и почти не испытывает рассеивания; 2) отдельные частицы испытывают рассеяние на угол до 180 °.

Выводы: 1) электроны не вызывают рассеяние Структура атомного ядра - часть 2- частиц, потому что масса электрона в 8000 раз меньше массы Структура атомного ядра - часть 2- частицы, 2) в атоме должно существовать ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома i размеры которого очень малы (Структура атомного ядра - часть 2 м), 3) заряд ядра положителен и равен Структура атомного ядра - часть 2, где Z — порядковый номер элемента, равным числу электронов в атоме, е — элементарный заряд. На основе этих выводов было предложено ядерную модель атома: в центре атома положительно заряженное ядро, размер которого составляет Структура атомного ядра - часть 2 м, а вокруг него в сфере диаметром Структура атомного ядра - часть 2 м по замкнутых орбитах движутся электроны (их количество Z). Модель атома подобна солнечной системы, поэтому ее часто называют планетарной.

По законам классической электродинамики, электроны движутся по замкнутых орбитах, т. е. имеют центростремительное ускорение и излучают электромагнитные хвил1. Энергия электрона при этом уменьшается и в конце он должен упасть на ядро. Однако атомы устойчивы и излучают не сплошной спектр, а линейчатый..

2. Постулаты Н. Бора (1885-1962). Классическая электродинамика в применении к ядерной модели атома не объяснила природы линейчатых спектров. H. Бор создал другую ядерную модель атома, воспользовавшись идеями Планка и Эйнштейна о том, что свет излучается квантами, и сформулировал следующие постулаты.

1. Постулат стационарных состояний: атомная система может долгое время, без внешнего воздействия, находиться только в стационарных состояниях, не излучая при этом электромагнитные волны (не излучают энергию).

Несмотря на то, что электроны в атоме движутся с ускорением, электромагнитных волн атом не излучает. Каждом стационарном состоянию соответствует тилыкы определенная энергия и определенные орбиты, по которым движутся электроны.

2. Правило квантования орбиты: в стационарном состоянии атома электроны, двигаясь по круговой орбите, должны иметь дискретные, квантовые значения момента импульса, что соответствует условию:

Структура атомного ядра - часть 2, (1)

Где Структура атомного ядра - часть 2- масса электрона, Структура атомного ядра - часть 2И Структура атомного ядра - часть 2- скорость электрона на Структура атомного ядра - часть 2-и орбите и ее радиус; Структура атомного ядра - часть 2- постоянная Планка.

3. Правило частот: Атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией излучается один фотон. Для перехода электрона из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией атом должен поглотить квант энергии. Энергию поглощенного кванта и энергию фотона, излучаемого, можно найти по формуле:

Структура атомного ядра - часть 2,

Где Структура атомного ядра - часть 2 и Структура атомного ядра - часть 2- энергия атома при движении электронов на Структура атомного ядра - часть 2-й и Структура атомного ядра - часть 2-и орбитах; Структура атомного ядра - часть 2- энергия кванта, Структура атомного ядра - часть 2- частота излучаемой электромагнитной волны.

Модель атома водорода по Бором. Это ядерная модель, в которой электроны находятся только на определенных орбитах, соответствующих стационарном состояния атома. Для энергии электрона на n-й орбите в атоме водорода иметь формулу:

Структура атомного ядра - часть 2. (2)

Скорость электрона на Структура атомного ядра - часть 2-и орбите и ее радиус находим по правилу квантования орбит (1) и при условии, что кулоновская сила предоставляет электронную центростремительного ускорения:

Структура атомного ядра - часть 2 (3)

Из уравнений (2) и (3) получим Структура атомного ядра - часть 2; Структура атомного ядра - часть 2, тогда полная энергия Структура атомного ядра - часть 2, а частота излучения

Структура атомного ядра - часть 2Структура атомного ядра - часть 2,

Где Структура атомного ядра - часть 2= 1,1Структура атомного ядра - часть 2М-1 — постоянная Ридберга, С — скорость света в вакууме.

Для воднеподибних атомов — одно ионизированного атома гелия Структура атомного ядра - часть 2, двоионизованого атома лития — Структура атомного ядра - часть 2 и т. д. — частота излучения определяется по формуле: Структура атомного ядра - часть 2.

Реферати :

Tagged with: , , , , , , , ,
Posted in Физика

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Перечень предметов
  1. Бухучет в ресторанном хозяйстве
  2. Введение в специальность 4к.2с
  3. Высшая математика 3к.1с
  4. Делопроизводство
  5. Информационные технологии в области
  6. Информационные технологии в системах качества стандартизаціісертифікаціі
  7. История украинской культуры
  8. Математические модели в расчетах на эвм
  9. Методы контроля пищевых производств
  10. Микробиология молока и молочных продуктов 3к.1с
  11. Микропроцессорные системы управления технологическими процессами
  12. Научно-практические основы технологии молока и молочных продуктов
  13. Научно-практические основы технологии мяса и мясных продуктов
  14. Общая технология пищевых производств 4к.2с
  15. Общие технологии пищевых производств
  16. Организация обслуживания в предприятиях ресторанного хозяйства
  17. Основы научных исследований и техничнои творчества
  18. Основы охраны труда
  19. Основы пидприемницькои деятельности и агробизнеса
  20. Основы физиологии и гигиены питания 3к.1с
  21. Пищевые и диетические добавки
  22. Политология
  23. Получения доброкачественного молока 3к.1с
  24. Прикладная механика
  25. Прикладная механика 4к.2с
  26. Теоретические основы технологии пищевых производств
  27. Технологический семинар
  28. Технологическое оборудование для молочной промышленности
  29. Технологическое оборудование для мьяснои промышленности
  30. Технология продукции предприятий ресторанного хозяйства
  31. Технология хранения консервирования и переработки молока
  32. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
  33. Технохимическому контроль
  34. Управление качеством продукции ресторанного хозяйства
  35. Физика
  36. Физическое воспитание 3к.1с
Возможно Вы искали: