Атомная и ядерная физика

Атомная и ядерная  физика.

1. Строение  атома по Резерфорду

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены  Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить  зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы  направлялись на тонкую металлическую  фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находилbcm в  резком противоречии с моделью атома  Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10^–14–10^–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10^–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

2. Квантовые Постулаты Бора

Постулат - утверждение, базовое утверждение для какой-то гипотезы.

Для объяснения устойчивости атомов и линейчатого спектра излучения атома водорода Н. Бор (1885-1962) ввел три постулата:

Первый постулат. Атом может находиться не во всех состояниях, допускаемых  классической физикой, а только в  особых стационарных состояниях, каждому  из которых соответствует своя определенная энергия Е_n. В стационарном состоянии атом не излучает.

Второй постулат. При переходе атома  из одного стационарного состояния  в другое излучается или поглощается  фотон с энергией hv, равной разности энергии стационарных состояний.

 

 где тип - номера стационарных состояний, между которыми происходит переход.

Третий постулат. В стационарном состоянии электрон может двигаться  только по такой ("разрешенной") орбите, радиус которой удовлетворяет условию:

 

 где ти- импульс с электрона,  п - номер стационарного состояния (п = 1, 2, 3...).

 Применив эту теорию к  простейшему из атомов - атому  водорода, Бор получил результаты, полностью согласующиеся с экспериментальными  данными.

3. Состав и размеры Атомного Ядра

Протонно-нейтронная модель ядра.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном  облаке электроны несут отрицательный  электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный  заряд. Протон обладает положительным зарядом q_p= 1,6-10^-19 Кл и массой m_p= 1836,2 m_е= 1,67 • 10^-27кг = 1,00728 а.е.м. В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом - нейтральная частица, не несущая заряда.

Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона.

Число протонов в ядре равно атомному номеру химического  элемента в периодической таблице  Д. Менделеева - z. Число нейтронов в ядре определяется как разность между общим числом А всех частиц в ядре и количеством протонов в нем: N =А - z, где А - массовое число, число нуклонов в ядре.

Нуклонами называются нейтроны и протоны, входящие в состав атомного ядра. Ядро, или атом, обозначается как ^A_zX, где X - химический символ элемента, например ¹⁶₈О..

Атом может потерять один или несколько электронов или  наоборот - захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный  или отрицательный заряд и  называется ионом.

Практически вся масса  атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика - порядка 1013 - 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома - это размеры гораздо менее  плотного электронного облака, которое  примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными  частицами.

4. Энергия Связи  и Дефект Массы Ядра 

 Нуклоны в ядре прочно  удерживаются ядерными силами. Для  того чтобы удалить нуклон  из ядра, надо совершить большую  работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию.

Энергия связи атомного ядра Е_св характеризует интенсивность взаимодействия нуклонов в ядре и равна той максимальной энергии, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные невзаимодействующие нуклоны без сообщения им кинетической энергии. У каждого ядра своя энергия связи. Чем больше эта энергия, тем более устойчиво атомное ядро. Точные измерения масс ядра показывают, что масса покоя ядра m_я всегда меньше суммы масс покоя, составляющих его протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы:

 Именно эта часть массы  Дт теряется при выделении энергии связи. Применяя закон взаимосвязи массы и энергии, получим:

 

 где m_н- масса атома водорода.

 Такая замена удобна для  проведения расчетов, и расчетная  ошибка, возникающая при этом, незначительна.  Если в формулу энергии связи  подставить Дт в а.е.м. то для Е_св можно записать:

 Важную информацию о свойствах  ядер содержит зависимость удельной  энергии связи от массового числа А.

 Удельная энергия связи Е_уд - энергия связи ядра, приходящаяся на 1 нуклон:

 

 

Наибольшую удельную энергию связи имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60 (железо и близкие к нему элементы). Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

Реакция деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части таблицы Д. Менделеева, а также реакции синтеза легких ядер (водород, гелий) в более тяжелые - энергетически выгодные реакции, так как они сопровождаются образованием более устойчивых ядер (с большими Е_уд) и, следовательно, протекают с выделением энергии (Е > 0).

5. Ядерные реакции распада  и синтеза

Ядерными реакциями называют превращение атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами.

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует  известная формула Эйнштейна E = mc². Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc².

Распад

В природе уран встречается  в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (²³⁵U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома ²³⁵U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой  стремительно разлетающиеся от места  распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая  ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной  урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана  — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа ²³⁸U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа ²³⁵U до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в  составе обогащенного природного урана  в атомном реакторе распадается  под воздействием бомбардировки  нейтронами. В результате из одного ядра ²³⁵U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция  носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число  ядер ²³⁵U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.