Состав ядер. Общие сведения об элементарных частицах. Ядерные силы. Дефект массы. Энергия связи

Ядро атома содержит более 200 элементарных компонент, некоторые из которых носят чисто волновой характер. Одной из элементарных частиц ядра является положительно заряженный протон. Число протонов равно номеру элемента Z в таблице Менделеева. Кроме этого ядра содержат нейтроны – нейтральные частицы с массой, близкой к массе протона ( кг). Проникающая способность нейтронов значительно выше, чем у - лучей.

Протоны и нейтроны получили общее название нуклоны. Относительная масса атомного ядра близка к числу нуклонов. Это число называют массовым числом и обозначают А. Тогда число нейтронов равно A-Z. При протекании термоядерных реакций сохраняется число нуклонов и общий заряд. Плотность ядерного вещества составляет .

Ядерные силы

Ядро состоит не только из протонов и нейтронов - в противном случае оно бы развалилось. Эксперимент показывает, что ядра атомов – чрезвычайно прочные соединения. Следовательно, внутри действуют ядерные силы – новый вид сил. Это самые сильные из всех известных взаимодействий в природе. Исследования показали, что ядерные силы притяжения действуют между двумя нуклонами на расстоянии 2.10 и резко уменьшаются при расстоянии 3.10 . При расстоянии 0,5.10 и меньше ядерные силы становятся силами отталкивания. В настоящее время природа ядерных сил недостаточно ясна.

Японский физик Юкава показал, что данные экспериментов по определению ядерных сил совпадают с теоретическими, если предположить, что нуклоны обмениваются частицами с массой в 270 раз большей массы электрона. Они были названы -мезонами или пионами. Пионы бывают трех видов: положительные - ⁺, отрицательные ^- и нейтральные ⁰. Взаимодействие между однородными нуклонами осуществляется нейтральными -мезонами, а взаимодействие между различными нуклонами – заряженными -мезонами. Обмениваясь заряженными -мезонами, протоны и нейтроны непрерывно превращаются друг в друга.

Дефект массы атомного ядра. Энергия связи.

Нуклоны в атомном ядре связаны ядерными силами. Чтобы разделить ядро на составляющие его отдельные протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию, называемую энергией связи ядра. Такая же энергия освобождается, если свободные протоны и нейтроны соединяются и образуют ядра. Следовательно, согласно уравнению Эйнштейна масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, из которых это ядро образовалось. Эта разность масс , соответствующая энергии связи ядра , определяется соотношением: = . Для атома гелия = 28,3 МэВ.

Разность между суммой масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которых образовано ядро, и массой ядра называется дефектом массы ядра.

Если суммарная масса ядер и частиц, образовавшихся при какой-либо ядерной реакции, меньше суммы масс исходных ядер и частиц, то в такой реакции освобождается энергия, соответствующая этому уменьшению массы и наоборот..

Деление тяжелых атомных ядер

После облучения нейтронами химически чистого урана обнаружили барий и лантан. Появление этих элементов объясняется распадом ядер урана на две примерно равные части. Это явление получило название деление ядер (рисунок 39).

Ядра ₉₂U²³⁵ поглощают нейтроны и превращаются в ядра ₉₂U²³⁶, которые за очень короткое время распадаются на две примерно равные части. Осколки деления перегружены нейтронами. Поэтому из них освобождаются 2-3 нейтрона, которые могут вызвать деление других ядер. В результате может возникнуть цепная реакция, которая будет продолжаться без внешнего облучения урана нейтронами.

Рисунок 39. Деление ядер урана

Отношение числа делений, вызванных вторичными нейтронами, к числу делений, при котором они сами образовались называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов k_эфф.

Если k_эфф < 1, реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если k_эфф =1, число делений ядер за единицу времени поддерживается постоянным. Такой режим называется критическим, и применяется в ядерных реакторах. Для каждого ядерного «горючего» существует критическая масса, при которой k_эфф =1.

Если k_эфф >1, цепная реакция лавинообразно нарастает. Происходит взрыв с огромным выделением энергии. Применяется в ядерном оружии.

Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется цепная ядерная реакция с k_эфф =1 и с большим выделением энергии. Энергия от 1 грамма урана равноценна энергии от сжигания 3 тонн угля.

Рисунок 40. Реактор на медленных нейтронах

иммммммммммм

На рисунке 40 схематически представлено строение реактора на медленных нейтронах. Урановые стержни 1, запрессованные в стальные цилиндры, называются тепловыделяющими элементами. Они помещены в замедлитель нейтронов 3, выполненный из графита. Реактор окружен отражателем нейтронов 2 и бетонной защитой 6. Цепной реакцией управляют с помощью регулирующих стержней 4, сделанных из материала сильно поглощающего нейтроны (кадмий, бор). При определенной глубине погружения регулирующих стержней реакция протекает с k_эфф =1 (рисунок 41). Энергия распада ядер урана отдается теплоносителю 5, которым является жидкий металл (например, натрий) или вода.

Рисунок 41. Деление ядер урана в реакторе