Атомная и ядерная физика

В недрах звезд реакция  термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами.

Естественная реакция  термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в  водородной бомбе. Увы, человек до сих  пор не сумел найти средств  для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и  научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей.

6. Радиоактивность

 Явление радиоактивностибыло  открыто в 1896 г. А. Беккерелем (1852-1908). Оно проявляется в способности  некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы. Происходящие при этом превращения ядер называются радиоактивными распадами. В общем виде уравнение радиоактивного распада может быть записано так: х -> у + а, где х - материнское ядро; у - дочернее ядро, а - прочие частицы.

При этом ядра распадаются  независимо друг от друга, процесс распада  нельзя ускорить ни нагреванием вещества, ни подвергая вещество давлению. Радиоактивный  распад сопровождается а-, b- и у- излучениями. Различные компоненты радиоактивного распада легко обнаружить, помещая радиоактивное излучение в магнитное поле.

 В магнитном поле b-лучи отклоняются сильнее, чем  а-лучи и в противоположную  сторону, у-лучи распространяются  без отклонения (рис. 117). Различными исследователями было установлено, что а-лучи - поток ядер гелия; b-лучи - поток электронов, у-лучи - электромагнитные волны с очень короткой длиной (Л ~ 10-10 м).

 Правила смещения  при радиоактивном распаде были  впервые сформулированы Ф. Содди  (1877-1856): при а-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, и его масса убывает приблизительно на 4 а.е.м.; при b-распаде заряд ядра увеличивается на 1е, а масса не изменяется. Исходя из законов сохранения заряда и массового числа можно записать:

Основные виды радиоактивного распада.

aльфа -  распад.    Сопровождается потоком положительно  заряженных ядер атома гелия  42Не (a- частиц) со скоростью 20000 км/с.  При этом заряд Z исходного  ядра уменьшается на 2 единицы  (в единицах элементарного заряда), а массовое число А - на 4 единицы (в атомных единицах массы).

Z' = Z - 2

A' = A - 4

т.е. образуется атом элемента, смещенного по периодической системе  на две клетки влево, от исходного  радиоактивного элемента, а его массовое число на 4 единицы меньше исходного.

22682 Ra  =   22280 Rh +   42 He

бета - распад. Излучение  ядром атома потока электронов со скоростью 100'000 - 300'000 км/с. (Электрон образуется при распаде нейтрона ядра. Нейтрон  может распадаться на протон и  электрон.) При b- распаде массовое число  изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1. (Химический элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо, а его массовое число не изменяется)

23490 Th  =   23491 Po +   0 -1e

гамма- распад. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой проникающей способностью, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд остаются неизменными. (Химический элемент не смещается в периодической системе, его массовое число не изменяется и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное).

Ядерные реакции - превращения  ядер, происходящие при их столкновении друг с другом или с элементарными  частицами. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом (1919 г.) при бомбардировке ядер азота a- частицами:

147 N +  42 He  =    178 O +  11 H

С помощью ядерных  реакций были получены изотопы многих химических элементов и ядра всех химических элементов с порядковыми номерами от 93 до 110.

7. Закон Радиоактивного Распада

 Э. Резерфорд, исследуя  превращения радиоактивных веществ,  установил опытным путем, что  их активность убывает с течением  времени. Для каждого радиоактивного  вещества существует период полураспада Т - время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер.

 Выведем математическую форму  записи закона радиоактивного  распада, который связывает количество N ядер, нераспавшихся к моменту  времени t, с начальным количеством N₀ ядер в момент времени t₀ = 0.

 По истечении периода полураспада  число нераспавшихся атомов будет  N₀/2 , еще через полупериод:

 Это и есть закон радиоактивного  распада, по которому находят  число нераспавшихся атомов в любой момент времени.

Период полураспада определяет скорость радиоактивного распада, и чем он меньше, тем больше активность радиоактивного вещества.

Активность А радиоактивного вещества - физическая величина, характеризующая  быстроту радиоактивного распада ядер и равная отношению числа распадов в радиоактивном источнике за время дельта t к этому моменту времени:

 За единицу активности в СИ принимают 1Бк.

 Один беккерель равен активности  радиоактивного вещества, в котором  за время 1 с происходит один акт распада: