Строение атомного ядра
Большинство ядер представляет собой устойчивое образование, аэто значит, что между нуклонами существует взаимодействие, отличное от Кулоновского.
Ядерные силы - силы, удерживающие нуклоны в ядре.
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Удельная энергия связи, т. е. энергия связи на один нуклон – физическая величина равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра.
Масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: Mя < Zmp + Nmn, а следовательно появляется избыточная масса, которую назвали дефект масс
ΔM = Zmp + Nmn – Mя -дефект массы – разность между суммой масс протонов и нейтронов находящихся в свободном состоянии и массой ядра
Eсв = ΔM∙c2 = (Zmp + Nmn – Mя)∙c2 – энергия связи – энергия которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Является мерой устойчивости ядра.
Ядерные реакции
Для получения ядерной энергии возможны два метода:
1) деление тяжелых ядер на более легкие;
2) слияние легких ядер в более тяжелые (термоядерная – реакция для запуска которой необходима начальная высокая температура).
В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии.
Классификация ядерных реакций:
1. По энергии частиц, которые их вызывают: малые энергии≈ 100 эВ; средние ≈ 1 МэВ; высокие≈50 МэВ.
2. По виду ядер, которые участвуют в реакции: реакции на легких ядрах (А<50), средних(50<А<100) и тяжелых ядрах (А>100);
3. По природе бомбардирующих частиц: реакции на нейтронах, квантах, заряженных частицах;
4. По характеру ядерных преобразований: захват частиц с преобразованием в более массивное ядро, расщепление ядра на части при бомбардировании, переход ядра из возбужденного состояния в нормальное.
Энергетический выход ядерных реакций Е= Δm·c² - разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции
Если ΔЕ < 0, то энергия выделяется (экзотермическая);
Если ΔЕ > 0, то энергия поглощается (эндотермическая).
Цепная ядерная реакция
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы. Эта реакция сопровождающаяся выделением огромной энергии. Выделяются нейтроны, которые могут вызвать деление новых ядер, возникает самоподдерживающийся процесс деления, который называется цепной ядерной реакцией
Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в каком либо поколении к числу нейтронов предшествовавшего поколения
Если k < 1, реакция быстро затухает,
Если k = 1, то реакция протекает с постоянной интенсивностью (управляемая),
Если k >1, то реакция развивается лавинно (неуправляемая) и приводит к ядерному взрыву
Цепная реакция может развиваться когда масса радиоактивного вещества превосходит критическую массу.
Например в уране: если реакция проходит без замедлителя (в бомбе), то критическая масса равна m=50 кг, если реакция проходит с замедлителем (электростанция), то критическая масса равна m= 250 г.
Управляемая ядерная реакция
1. Замедлители нейтронов: тяжелая вода D2O, бериллий, ядерное горючее графит
2. Регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор. Это позволяет управлять скоростью цепной реакции.
3. Охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C)
4. Горючее:
5. Защитная оболочка из железобетона
Практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая изотоп U235.Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе ядра 92U238, поглощая нейтроны, превращаются в ядра плутония, которые можно использовать в качестве ядерного топлива.
Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова
Термоядерный синтез
Термоядерные реакции -реакции слияния легких ядер. Протекают при высокой температуре
