Атомное ядро. Структура атомных ядер. Плюсы и минусы ядерной энергии

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему:

«Атомное ядро. Структура атомных ядер.

Плюсы и минусы ядерной энергии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

	Введение……………………………………….......	3
1.	Атомное ядро…………………………………..…..	3
1.1	Структура атомных ядер…………….………………	3
2.	Энергия связи и устойчивость ядер……………..	6
3.	Лёгкие и  тяжёлых ядра…………………………...	6
3.1.	Радиоактивность средних  и тяжелых ядер………	7
	Рис. 1……………………………………………….	8
3.2.	Синтез легких ядер…………………………………	9
4.	Применение атомной энергии……………………	11
5.	Плюсы и минусы, польза и  вред от использования ядерной энергии………………………………………..	11
6.	Проблемы ядерной  энергетики…………………….	13
	ЛИТЕРАТУРА………………………………………	15

 

 

 

 

 

 

Введение 

1. Атомное ядро

Атомное ядро ​​- положительно заряженная центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома . ядро атома состоит из нуклонов . под нуклоном понимается ядерная частица , которая может существовать в двух состояниях - протона или нейтрона . термином нуклон , называют элементарные частицы ядра атома ( протон р или нейтрон п) ; его ввели , когда выяснили , что ядерные силы у протонов и нейтронов одинаковы ( без учета электромагнитных сил ) . так как ядерные силы намного превышают электромагнитные , то замена протона на нейтрон внутри ядра практически не влияет на его общую энергию . эта энергетическая симметрия протонов и нейтронов наглядно проявляется в подобии ядерных спектров так называемых " зеркальных " ядер , т.е. ядер , которые получаются путем замены нейтрона на протон и обратно

 1.1.  Структура атомных ядер

Структура атомных ядер была определена в 30-е годы ХХ в. Частицы, из которых состоит ядро, имеют  общее название –Нуклоны. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона, и ее приближенное значение принято за атомную единицу массы (а. е. м.). В а. е. м. измеряется масса ядер. Существуют два типа нуклонов – Протон и Нейтрон. Протон несет положительный электрический заряд, величина которого равна элементарному, и совершенно стабилен.

Нейтрон несколько тяжелее  протона, электрически нейтрален и  в свободном состоянии способен самопроизвольно превращаться в  протон с образованием электрона  и антинейтрино. Используя общепринятые обозначения частиц: протон – Р, нейтрон – N, электрон – Е, нейтрино – ν, фотон – γ, и обозначая заряд частицы нижним индексом, а массовое число – верхним.

(Знак «~» означает, что  в данной реакции возникает  антинейтрино). Видно, что в этом  превращении восполняются законы  сохранения заряда и массового  числа. Зная порядковый номер  (Z) и массовое число некоторого  изотопа  , легко определить число протонов и нейтронов в нем.

Очевидно, что общее число  нуклонов равно А, а количество заряженных протонов – Z (заряд ядра равен порядковому  номеру изотопа), следовательно, количество нейтронов равно (A – Z). Таким образом, становится ясным, что изотопы элемента, имеющие разные массы, различаются  количеством нейтронов, а количество протонов для всех изотопов данного  химического элемента постоянно.

Между нуклонами в ядре осуществляется электромагнитное, сильное  и слабое взаимодействия. Электростатическое отталкивание одноименно заряженных протонов компенсируется не зависящим от заряда сильным (ядерным) взаимодействием  между всеми нуклонами – и  протонами, и нейтронами.

Чтобы разложить ядро на составляющие его нуклоны, надо затратить  энергию, называемую энергией связи  ядра. При образовании же ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии  связи. Данный процесс сопровождается уменьшением суммарной массы  системы на величину, называемую дефектом массы (  M).

По закону взаимосвязи  массы и энергии энергия связи  ядра (Есв) пропорциональна дефекту массы ( M).

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, закономерно изменяется в зависимости от массового числа, причем максимальное её значение соответствует  ядрам со средними значениями атомной  массы. Это делает энергетически  выгодными два типа процессов  – слияние легких ядер (реакции  синтеза) и деление тяжелых ядер (реакции распада). В настоящее  время считается, что именно реакции  первого типа – слияние ядер водорода (Z = 1) с образованием ядер гелия (Z=2), протекающие в недрах звезд, являются источником их энергии, поддерживающим температуру в десятки миллионов  кельвинов. Процессы деления тяжелых  ядер, в частности урана и плутония, позволяют получать энергию в  атомных реакторах. Исторически  сложилось так, что, хотя в обоих  случаях речь идет о ядерной энергии, энергию, выделяющуюся при расщеплении  атомных ядер принято называть атомной  энергией, а при слиянии – термоядерной. Данные процессы являются примером превращения  одних изотопов в другие. До XX в. такие  процессы считались невозможными, а  с открытием радиоактивности  их исследование стало одним из важнейших  направлений в физике микромира.

 

Позитро́н (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. Прианнигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

 

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н — элементарная частица, элементарныйбозон, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть, обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. В рамкахСтандартной модели отвечает за массу элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально  был предсказан в теории, и после  нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 года представители ЦЕРНа сообщили, что на обоих основных детекторах БАК наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года физики ЦЕРНа подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

 

ПИ-МЕЗОНЫ (p-мезоны, пионы) - группа сильно взаимодействующих элементарных частиц (адронов), в к-рую входят две противоположно заряженные (  ) и одна нейтральная  частицы. Пионы обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона, в связи с чем и были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный). Пионы являются связанными состояниями пар кварков и антикварков:  образован парой -кварков,  - парой  в  в равных пропорциях входят  и -пары кварков.

 

 

 

 

 

 

2. Энергия связи и устойчивость ядер 

 Массу атома следовало  бы вычислять как сумму масс  протонов, электронов и нейтронов,  из которых  он был построен. Однако точное определение массы  атомов показало, что экспериментально  полученные  массы всегда меньше  значений, вычисленных как сумма  масс частиц, составляющих ядро. Эта разность масс  (дефект  массы) равен:

  ∆m = Zmp + Nmn + Zme – m = ZmH + Nmn – n (18) 

и, эквивалентна энергии  связи ∆E = ∆mc2 .  Дефект массы, являясь  мерой энергии связи, представляет собой так же, как и эта энергия, меру  устойчивости системы.  Мерой  прочности (устойчивости) ядра является его энергия связи ∆Е(A,Z), т.е. превышение суммы  масс всех нуклонов ядра над  массой самого ядра:  ∆Е(A,Z)=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд(A,Z)]c2  (19)  Энергия связи, разность между  энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих  частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по  абсолютной величине, чем прочнее система. Энергия  связи с обратным знаком равна  минимальной работе,  которую  нужно затратить, чтобы разделить  систему на ее элементарные составные  части.  Дефект массы, разность ∆М между  массой М системы взаимодействующих  тел (частиц) и суммой  их масс ∑m в свободном состоянии. Определяется полной энергией их взаимодействия, т.е. энергией их связи

3.  Лёгкие и тяжёлых ядра 

Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии вядерных реакторах и ядерном оружии.

 

 

 

 

3. 1.Радиоактивность средних и тяжелых ядер  

  Одним из основополагающих  достижений ядерной физики было  обнаружение магических чисел  и объяснение их на основе  оболочечной модели ядра. В средних  и тяжелых ядрах, расположенных  в районе долины стабильности  магические числа 

Z = 20, 28, 50, 82        

N = 20, 28, 50, 82, 126

соответствуют ядрам с  заполненными оболочками. Наблюдается  повышенная стабильность ядер с числами  нейтронов или протонов N, Z = 14, 40, 64, что соответствует заполнению ядерных подобо¬лочек. О проявлении магических чисел свидетельствуют  следующие факты. Увеличение энергии  связи ядер с заполненными оболочками по сравнению с соседними ядрами. Увеличение энергии отделения одного или двух нуклонов. Наиболее отчетливо  этот эффект заметен в энергии  отделения двух нейтронов и α-частиц (рис. 1). Увеличение числа β-стабильных изотопов для ядер с магическими  числами нейтронов или протонов. В ядрах с заполненными оболочками первый 2+ уровень расположен значительно  выше по энергии по сравнению с  соседними ядрами. Магические числа  соответствуют сферическим ядрам, имеющим нулевые значения электрических  квадрупольных моментов. Ядра с заполненными оболочками имеют меньшую величину сечения захвата низкоэнергичных  нейтронов.     На рис. 1 показаны энергии отделения α-частиц от изотопов Z = 30, 40, 60, 70, 80, 90 в зависимости от числа нейтронов в ядре. В этих зависимостях проявляется несколько  интересных закономерностей. Резкое уменьшение энергии отделения α-частицы в  ядрах имеющих магические числа  нейтронов N = 28, 50, 82, 126. Монотонное увеличение энергии отделения α-частиц между  магическими числами. Лёгкие изотопы  ядер Z = 60, N < 88 имеют отрицательные  энергии связи нейтронов, что  является причиной α-радиоактивности  редкоземельных элементов. Практически  все изотопы Z > 70 имеют отрицательные  энергии связи α-частиц, что является причиной α-радиоактивности тяжелых  ядер и большой вероятности испускания запаздывающих α-частиц.     Будут ли эти особенности наблюдаться  для ядер, удаленных от долины β-стабильности? Как оболочечная структура ядер будет сказываться на радиоактивных  распадах ядер?  

Рис. 1

 

 Энергии отделения  двух нейтронов B_2n и энергии α-распада Q_α для α-радиоактивных ядер вблизи магического числа 126 (верхний рисунок). Энергии отделения α-частиц B_α в изотопах Z = 30, 40, 60, 70, 80, 90 (нижний рисунок). В энергиях отделения α-частиц наблюдаются характерные особенности (уменьшение энергии отделения α-частицы), соответствующие магическим числам N = 28, 50, 82, 126.

 

3.2.Синтез легких ядер 

Синтез легких ядер может быть осуществлен при очень высоких температурах ( порядка десятков и сотен миллионов градусов); такие реакции называют термоядерными. 

Синтез легких ядер может быть осуществлен только при очень высоких температурах ( порядка 108 К); такие реакции называются термоядерными. 

Синтез легких ядер Может быть осуществлен при очень высоких температурах ( порядка десятков и сотен миллионов градусов); такие реакции называются термоядерными. 

Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10 К. 

Управляемый термоядерный синтез - процесс  слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких  температурах в регулируемых, управляемых  условиях.

Для осуществления реакции синтеза  необходимо, чтобы два легких ядра сблизились на очень малые расстояния, при которых начинают действовать  ядерные силы. Характерное расстояние между нуклонами, на котором включаются ядерные силы, меньше 1,5 " 10-15 м. Сближению  положительно заряженных ядер препятствуют силы кулоновского отталкивания.

Процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими  ядрами, обладающими малым положительным  зарядом и только при высоких  температурах, когда кинетическая энергия  сталкивающихся ядер оказывается достаточной  для преодоления кулоновского потенциального барьера.

Осуществить реакцию синтеза легких ядер возможно ускорив ядра одного типа на ускорителе и бомбардируя  ими мишень из изотопа того же или  другого элемента. Для получения  энергии в промышленных масштабах  такой способ неприменим по следующим причинам. Сечения ядерных реакций даже в оптимальных условиях примерно в 10⁶-10⁸раз меньше сечений атомных столкновений. Поэтому кинетическая энергия ускоренного ядра интенсивно расходуется на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Оставшейся энергии ускоренного ядра оказывается недостаточно для осуществления ядерной реакции синтеза. Ее реализация имеет ничтожную вероятность. В результате энергия, затраченная на ускорение ядер, значительно превышает энергию, получаемую в ядерной реакции.