МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федерально государственное бюджетное
Образовательное учреждение
Высшего образования
«Пермский государственный национальный
Исследовательский институт»
Колледж профессионального образования
Физика атома и атомного ядра
Мини-реферат по
Дисциплине «Физика
Студентки 1 курса очной
Формы обучения
Специальности «Сетевое
и системное администрирование»
гр. ССА-1,2 БО-2021
Ижгузиной Элины
Эльмировны
Руководитель: преподаватель КПО
Кутузова Варвара
Пермь2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
1. Физика атомного ядра
2. Структура атомных ядер.
3. Дефект массы
4. Закон радиоактивного распада
5. Заключение
6. Список литературы
Введение
Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие исследования свойств атомов и электронов завершились созданием квантовой механики — физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики, а она в свою очередь выступает опытным полигоном. Атомной физикой установлены оптические спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения радиоактивности произошло выделение ядерной физики, изучающей взаимопревращение элементарных частиц — физика элементарных частиц. Атомная физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в атомных ядрах и взаимопревращение элементарных частиц. Но эта дисциплина изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим ядром, а только с электронной оболочкой. Ядерная физика изучает превращения атомных ядер, происходящие как в результате радиоактивных распадов, так и в результате различных ядерных реакций. Достижения ядерной физики немыслимы без использования достижений физики и техники ускорителей заряженных частиц. Именно создание различных ускорителей элементарных частиц помогли исследователям во многих проблемах изучения атомных ядер и их превращений.
Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Современная ядерная физика распадается на две взаимосвязанные ветви — теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.), разнообразные детекторы частиц.1 Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя глубже проникать в тайны природы
Физика атомного ядра
Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии, с которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.
Структура атомных ядер
Атомное ядро как целостная система существует благодаря силам притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.
Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами (сильным взаимодействием). Протон - ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона и спин (собственный механический момент импульса) Нейтрон - электронейтральная частица c таким же как у протона спином. Протоны и нейтроны имеют очень близкие массы (масса нейтрона больше массы протона приблизительно на две массы электрона) и неразличимы с точки зрения ядерных сил (т.н. зарядовая независимость ядерного взаимодействия), их обычно называют нуклонами, т.е., "ядерными частицами". Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. У легких и средних ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково.
Дифракционное рассеяние позволяет получить сведения не только о размере, но и о распределении материи внутри ядра. Чтобы объяснить, почему протоны внутри ядра очень прочно связаны, потребовалось ввести новую фундаментальную силу. Для преодоления электростатического отталкивания протонов эти (ядерные) силы должны быть больше электростатических.
В современной физике, основанной на квантовых принципах, вместо сил принято использовать понятие (потенциальной) энергии взаимодействия, т.к., именно потенциальная энергия взаимодействия входит в уравнение Шредингера2 или его обобщения. Это позволяет найти состояния системы (волновые функции), рассчитать уровни энергии и (в принципе) определить все экспериментально измеряемые характеристики, исследуемого объекта. Так и ядерное взаимодействие вместо введения сил удобно задавать с помощью потенциальной энергии. Если не учитывать довольно слабое электростатическое отталкивание, то сильное взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном будет в любом из этих случаев одним и тем же. Это взаимодействие называют нуклон - нуклонным.
Дефект массы
Дж. Чедвиком в 1932 г., был впервые обнаружен нейтрон 10n. Именно открытие нейтрона положило начало современной ядерной физике и стало окончательным крушением электромагнитной картины мира, в которой предполагалось существование только трех фундаментальных частиц: электрона, протона и фотона.
После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно - нейтронном строении ядра.
Одной из загадок нейтронов было то, что их не удавалось обнаружить в веществе в свободном состоянии. Впоследствии было выяснено, что причиной тому является их нестабильность. Каждый нейтрон вне ядра в течении нескольких минут самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино вследствие т.н. слабого взаимодействия.
Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:
| (α, n) - реакции | 
|
| (α, p) - реакции | 
|
| (n, α) - реакции | 
|
| (n, p) - реакции | 
|
| (n, γ) - реакции | 
|
В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия:
|
|
|
|
| Модель. Ядерные реакции. |
Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2∙0,00055) + протоны (2∙1,0076) + нейтроны (2∙1,0089) = 4,0341.
В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет
|
Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рис. 1 приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.
На рис. 1 видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50. Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.
Ядерное деление используется для создания ядерного оружия или ядерных реакторов, в которых ядерные реакции поддаются управлению и которые являются основой атомных электрических станций (АЭС).
|
| Рисунок 2. Атомная бомба – самое страшное современное оружие. |
Атомные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. При этом поток нейтронов, взаимодействуя с ураном-235, образовал неустойчивый изотоп урана-236, способный к ядерному делению на осколочные ядра и выделению до трех нейтронов на атом.
В среднем при делении неустойчивого урана-236 образуются 2–4 нейтрона, что обеспечивает цепной механизм реакции ядерного деления. Такая ядерная реакция возможна с участием медленных (тепловых) нейтронов с энергией 5–10 эВ. Нейтроны с высокой энергией замедляются большой (критической) массой урана (в атомной бомбе) или специальными замедлителями (графит, тяжелая вода) и поглотителями нейтронов (бор, кадмий) в атомных реакторах. Это позволяет поддерживать скорость образования нейтронов в пределах, необходимых для выделения энергии, заданной конструкцией реактора.
Малое содержание природного изотопа урана-235 привело исследователей к необходимости использования других, более доступных делящихся ядер в реакторах-размножителях:
|
|
Изотопы 
и 
пригодны в качестве ядерного горючего.
Вторым направлением в ядерной энергетике является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции
|
является ее высокая температура (десятки млн К).
Военный вариант этого синтеза был осуществлен в водородной бомбе, где необходимую начальную температуру создавал атомный взрыв:
|
Проблема получения термоядерной энергии несмотря на научные достижения далека от практической реализации.
Закон радиоактивного распада
Свойства радиактивного излучения были изучены вскоре после открытия Беккерелем радиоактивности в 1896 г. Оказалось, что существуют три различных вида ядерного излучения (альфа, бета и гамма). После многолетних исследований было обнаружено, что а- излучение состоит из ядер гелия 42He, б- излучение - фотоны с очень высокой энергией, г- излучение, как правило, состоит из электронов.
Образец урана 238U испускает а-частицы по следующей схеме:
|
Спустя 4,5·109лет половина ядер образца 238U распадётся.
Теория альфа-распада построена Г.А. Гамовым в 1928 г.
В случае бета-распада более тщательные исследования показали, что некоторые ядра вместо электронов испускают их античастицы - позитроны, кроме того, испускание электронов или позитронов всегда сопровождается излучением нейтрино или антинейтрино. (Нейтрино - это элементарная частица с электрическим зарядом равным нулю, полуцелым спином 1/2 и нулевой (или очень малой) массой покоя.
Первая теория бета-распада была построена Э. Ферми в 1931 г.
Кроме хорошо известных альфа, бета и гамма - распадов в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком открыт четвертый тип распада: самопроизвольное деления ядер урана на две примерно равные части. В 1970 была обнаружена протонная радиоактивность: выброс протона из ядра. Еще один вид распада - двухпротонную и двухнейтронную радиоактивность, предсказан в 1960 г. советским физиком-теоретиком В.И. Гольданским. Экспериментально этот вид распада еще не обнаружен.
Радиоактивное излучение воздействует на вещество и, передавая веществу энергию, вызывает в нем электронное возбуждение, ионизацию и разрыв химических связей. Особенно опасно радиоактивное излучение для биологических объектов, поскольку оно может нарушить нормальное функционирование клеток, приводя к необратимым последствиям и даже к летальным исходам. Воздействие радиоактивного излучения на организм зависит от проникающей способности излучения. Из трех видов внешнего радиоактивного излучения наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение, которое практически полностью поглощается кожным покровом. Бета-излучение способно проникать под кожный покров на глубину до 1 см. Попадание в организм носителей этих радиоактивных излучений весьма опасно. Наибольшую опасность представляет собой гамма-излучение, поскольку оно обладает весьма высокой проникающей способностью
Заключение
Развитие знаний и представлений об окружающем мире шло и идет от открытия одного класса многообразий структурных объектов к другому, более сложному для восприятия на данном историческом этапе. От атомов неразрезаемых - к атому в виде некоторой системы, структурными элементами которой являются электроны оболочки и центральное (неделимое) ядро.
Затем вскрывается нуклонная структура ядра, а в дальнейшем - и структура самих нуклонов.... И каждый раз человеческий разум ищет то внутреннее единство, которое позволяет охватить новое многообразие.
Для эпохи Аристотеля достаточно было четырех первоэлементов, для времени Д. И. Менделеева многообразие атомов занимало примерно 120 клеток его таблицы.
В середине 60х годов нашего столетия число открытых элементарных частиц превысило 350. Современная таблица фундаментальных структурных элементов содержит три поколения элементарных частиц. Это в общем счете 12 кварков и антикварков, 8 глюонов, 6 лептонов с их античастицами, фотоны и гравитоны.
Некоторое время назад казалось, что достаточно будет трех кварков, чтобы построить все остальное. Но открываются новые составляющие и идея малого числа фундаментальных основ не подтверждается. В последнее время в современном естествознании все больше вырисовывается другой подход. Он основан на признании принципа обязательной вариативности структурных элементов для сложных природных систем, будь то система элементарных частиц, или биоценоз.
Только при наличии некоторого минимального, но разнообразного набора можно построить функционально и структурно сложные системы. Само осознание принципа допустимости и необходимости, обязательности разнообразия элементов становится достоянием общей культуры человечества.
Список литературы
Грибов Л.А., Прокофьева Н.И. Основы физики: Учебник. – 3-е изд. – М.: Гардарика, 1998. – 564 с.
Кузнецов С.И. Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика. Физика элементарных частиц: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 154 с.
Логунов А.А., Петров В.А. Как устроен электрон? – М.: Педагогика, 1988. – 114 с.
Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1964. – 448 с.
Пономарев Л.И. Под знаком кванта. – М.: Физматлит, 2005. – 416 с.
Уэр М.Р., Ричардс Д.А. Физика атома. – М.: Госатомиздат, 1961. – 304 с.
Фритш Г. Основа нашего мира. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 208 с.