Склад ядра атома. Ізотопи. Енергія зв'язку атомних ядер. Ядерні реакції. Поділ ядер урану. Ядерний реактор. Термоядерна реакція

Український фізик Іваненко і німецький фізик Гейзенберг 1932 року незалежно один від одного запропонували протонно-нейтронну модель ядра, згідно з якою ядро складається із протонів і нейтронів. Оскільки атом в цілому електронейтральний, а заряд протона дорівнює модулю заряду електрона, то число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в атомній оболонці. Відповідно число протонів в ядрі дорівнює атомному номеру елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. А кількість нейтронів дорівнює різниці між атомною масою ізотопу і значенням порядкового номера.

Суму числа протонів Z і числа нейтронів N називають масовим числом А; воно дорівнює:

A = Z + N.

Маси протонів і нейтронів приблизно однакові і дорівнюють 1 а. о. м. Маса електрона набагато менша від маси ядра. Визначити число протонів і нейтронів в ядрі атома дуже просто. Наприклад:

Усі хімічні елементи, які знаходяться в одному рядку таблиці елементів Менделєєва, мають однакові хімічні властивості, але фізичні властивості їх трохи відрізняються. Такі елементи називаються ізотопами. Ізотопи мають ядра атомів з одним і тим самим значенням Z, але різними кількостями N. Натепер відомо ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, водень має три ізотопи:

1. - водень звичайний - основний ізотоп стабільний.

2. - дейтерій (тяжкий водень); входить як домішка до природного водню її вміст становить (1/4500 частину).

3. - надтяжкий водень - тритій; отримують штучним шляхом, b - радіоактивний.

Між протонами і нейтронами в ядрі діють значні сили кулонівського відштовхування, але ядро не розлітається, оскільки протони і нейтрони в ядрі утримують могутні ядерні сили. Це най потужніші сили в природі, що є мірою сильної взаємодії. Їх характерна особливість - вони діють на дуже малих відстанях, що приблизно дорівнюють розміру ядра (10^-12 – 10^{-13 см).}

Щоб вибити нуклон із ядра, потрібно виконати величезну роботу, тобто передати ядру енергію зв'язку. Це - енергія, яка потрібна для повного розщеплення ядра на нуклони, або енергія, яка виділяється під час утворення ядра із окремих частинок.

Оскільки остаточну теорію ядерних сил поки що не створено, то енергію зв'язку розраховують за формулою Ейнштейна:

E = mc².

Але точні вимірювання мас ядер показують, що

M_я < Zm_p + Nm_n,

Існує так званий дефект мас:

DM = Zm_p + Nm_n – M_я.

Підставивши значення дефекту мас в рівняння для енергії, отримаємо формулу для визначення енергії зв'язку:

E_зв = DMс² = (Zm_p + Nm_n – M_я)·с².

Ядра, з частинок, під дією ядерних сил на малих відстанях прямують одна до одної з величезним прискоренням. Випромінювані при цьому g - кванти мають енергію E_зв і масу .

Важливу інформацію про властивості ядер містить залежність енергії зв'язку від масового числа А.

Питомою енергією зв'язку називають енергію зв'язку, яка припадає на один нуклон.

Питома енергія зв'язку елементів масові частки яких 50-60 найбільшоа, тому ядра цих елементів найбільш стійкі.

Питома енергія зв'язку тяжких ядер зменшується за рахунок зростаючої із збільшенням Z кулонівської енергії відштовхування, оскільки сила Кулона F_k намагається розірвати ядро.

На відміну від хімічних реакцій, під час яких змін зазнають лише молекули, а ядра атомів залишаються без змін, то час ядерних реакцій змін зазнають самі атомні ядра. При цьому замість одних хімічних елементів утворюються інші. Отже зміну атомних ядер у результаті їх взаємодії з елементарними частинками між собою називають ядерними реакціями.

Ядерні реакції бувають як штучні, так і природні. Штучні ядерні реакції відбуваються за допомогою ядер дейтерію - дейтронів, a-частинок інших важких ядер, які розганяють до великих швидкостей, щоб під час зближення можна було подолати кулонівські сили відштовхування і ввійти в зону ядерних сил. У результаті злиття початкових ядер на деякий час утворюється комбіноване ядро, що згодом розпадається на уламки, які кулонівські сили розганяють до світлових швидкостей, близьких до швидкості світла.

Першу ядерну реакцію на швидких протонах було здійснено 1932 року, коли вдалосья розщепити літій на дві a-частинки:

Деякі реакції перебігають з виділенням енергії, а деякі з поглинанням її (екзо- і ендотермічні реакції). Якщо сума мас ядер, які вступили в реакцію, більша від суми мас ядер, одержаних в результаті реакції, то маса перетворюється в енергію, яка виділяється. А якщо сума мас ядер, які вступили в реакцію менша, то енергія перетворюється в масу і енергія поглинається. Енергетичний вихід ядерної реакції можна визначити, знайшовши різницю мас Dm частинок, які вступають у реакцію і продуктів реакції: DE = Dmc².

Серед різних ядерних реакцій особливо важливу роль у житті людини відіграють ланцюгові реакції поділу деяких важких ядер. Німецькі фізики О. Ган і Ф. Шрассман 1938 року вперше провели ядерну реакцію поділу ядер урану під час бомбардування їх нейтронами. У результаті цієї реакції ядро атома урану поділилось на два нерівні уламки, і вивільнилось 2 чи 3 нейтрони і величезна енергія.

Нейтрон відкрив 1932 року англійський фізик Д. Чедвік. Його можна отримати внаслідок попадання a - частинки в ядро берилію:

У рівнянні цієї ядерної реакції - символ нейтрона; його заряд дорівнює нулю, а відносна маса - приблизно одиниці. Нейтрон - нестабільна частинка: вільний нейтрон за час близько 15 хв розпадається на протон, електрон і нейтрино - частинку, що не має маси спокою.

Відкриття нейтрона стало поворотним етапом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їх перетворення. Наприклад, спостерігається така реакція:

Великий італійський фізик Енріко Фермі першим почав вивчати реакції, спричинювані нейтронами. Він виявив, що ядерні перетворення зумовлюються не тільки швидкими, а й повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді.

Важливе значення має захоплення повільних нейтронів ядрами ізотопу урану без поділу. Після захоплення утворюється радіоактивний ізотоп з періодом піврозпаду 23 хв. Розпад відбувається з випромінюванням електрона й виникненням трансуранового елемента нептунію:

У процесі розпаду нептунію утворюється інший трансурановий елемент, що ділиться під впливом повільних нейтронів так само, як ізотопи:

Англійський фізик О. Фріш та австрійський фізик Л.Мейтнер 1939 року теоретично обґрунтували реакції поділу урану.

Нейтрон після захвату ядром урану приводить ядро в збуджений стан, за якого воно нагадує пульсуючу рідину. Згодом пульсуюче ядро розривається на два уламки, які кулонівські сили розганяють майже до швидкості світла. Уламки ядра не здатні втримати на собі всі електрони, які входили до ядра урану. Тому в результаті розколу звільняється 2 чи 3 нейтрони. Якщо ці вільні нейтрони на своєму шляху зіштовхуються з ядром урану, то вони поділяють і їх. Цей процес переходить в ланцюгову реакцію поділу, під час якої виділяється велика енергія. Велику частину енергії становить кінетична енергія уламків ядер.

Уран має два основних ізотопи:

1. - ділиться лише під дією дуже швидких нейтронів і поглинає повільні без поділу, утворюючи , згідно з реакцією: .

2. уран - ділиться як повільними, так і швидкими нейтронами. Міститься в природному урані як домішка ( 0,7 %). Для проведення ланцюгових реакцій природний уран збагачують ізотопом .

Пристрій, в якому проводяться керовані ланцюгові реакції, називають ядерним реактором, який вперше був збудований 1942 року в США під керівництвом Фермі. У СРСР він був запущений в дію з жовтня 1946 року під керівництвом Курчатова.

Ядерний реактор складається (рис. 7.14) з ядерного палива - 1, наприклад, урану, збагаченого ізотопами , уповільнювача нейтронів 2 (використовують важку чи звичайну воду, графіт). Нейтрони співударяючись з ядрами уповільнювача, втрачають свою швидкість, від чого зростає ймовірність їх захоплення. Як теплоносій 3 використовують ту саму воду під тиском чи рідкий натрій. Теплоносій переганяють через реактор, де йому передається тепло, у другому контурі рідина перетворюється в пару, яка потім і обертає турбіни. Регулювальні стрижні 4 складаються з кадмію чи бору. Під час опускання стрижнів в активну зону кадмій чи бор активно поглинають нейтрони, від чого реакція частково припиняється.

Відбивач нейтронів 5 діжкоподібною конструкцією, яка оточує реактор, складається із берилію. Відбивач немов дзеркало відбиває нейтрони в активну зону, сприяючи поділу ядер. Як біологічний захист зазвичай використовують залізобетонну стіну 6 завтовшки в декілька метрів.

Щоб відбулася ланцюгова реакція, необов'язково, щоб кожний нейтрон зумовлював поділ ядра. Потрібно тільки, щоб середня кількість вивільнених нейтронів у певній масі урану з часом не зменшувалася. Ця умова виконується, якщо коефіцієнт розмноження нейтронів k більший від одиниці або дорівнює їй. Коефіцієнтом розмноження нейтронів називають відношення кількості нейтронів у будь-якому "поколінні" до кількості нейтронів попереднього "покоління".

Коефіцієнт розмноження k може дорівнювати одиниці лише за умови. Що розміри реактора і відповідно маса урану більші від деяких критичних значень. Критичною масою називають найменшу масу поділюваної речовини, за якої може відбуватися ланцюгова ядерна реакція.

Для чистого (без уповільнювача) урану , що має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50кг. Радіус такої кулі дорівнює приблизно 9см (уран - речовина дуже важка). Застосуванням уповільнювачів нейтронів і берилієвих оболонок для відбивання нейтронів критичну масу вдалося зменшити до.

Собівартість електроенергії, яку отримують на атомних електростанціях (АЕС) набагато дешевша ніж собівартість енергії виробленої на теплових електростанціях. Ядерні реактори також використовують на морських суднах.

Величезна енергія виділяється не лише під час розпаду важких ядер, але й під час злиття легких. Такі реакції відбуваються у разі величезних тисках і температурах і називаються реакціями термоядерного синтезу. Головна проблема в термоядерних реакціях - приведення початкових ядер в зону дії ядерних сил захоплення. Для цього потрібні тиск 10⁶ атм і температура 10⁸ К.

Такі умови на сьогодні можна створити лише в епіцентрі ядерного вибуху. Найбільш перспективними є такі реакції синтезу:

Під час синтезу 1 г гелію отримують таку саму енергію, як і під час згоряння 10 т дизельного палива. Оскільки запаси водню на Землі невичерпні, то за допомогою термоядерних реакцій синтезу можна б було розв'язати проблему енергетики назавжди. Однак вдалося здійснити лише некеровану реакцію термоядерного синтезу під час вибуху водневої бомби. Над створенням керованої термоядерної реакції синтезу працюють вчені всього світу. На сонці є до 80 % водню і до 20 % гелію, температура - 10^-7 К, тому там можуть відбуватися термоядерні реакції синтезу, які компенсують втрати енергії на випромінювання.

Запитання для самоперевірки

1. У чому сутність моделі атомного ядра ?

2. Який фізичний зміст зарядового числа, що дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в таблиці Менделєєва ?

3. Який фізичний зміст масового числа в моделі атомного ядра ?

4. Що називають ізотопами хімічного елемента ? Які ізотопи називають стабільними, а які радіоактивними ?

5. Як називають і позначають ізотопи водню?

6. Чи всі хімічні елементи мають ізотопи ?

7. Що називають енергією зв'язку атомного ядра ?

8. Що називають дефектом маси ? Поясніть причину появи дефекту маси у разі утворення ядра з окремих нуклонів.

9. Запишіть формулу дефекту маси.

10. За якою формулою визначають енергію зв'язку атомного ядра ?

11. Що називають питомою енергією зв'язку ? Ядра яких хімічних елементів мають максимальну питому енергію зв'язку ?

12. Що називають ядерними реакціями ?

13. Хто і коли здійснив ядерну реакцію, яка експериментально підтвердила, що до складу атомних ядер входять нейтрони ?

14. Що називають поділом ядра ? Які особливості цього процесу ?

15. Що утворюється під час поділу ядра урану.

16. Що називають ланцюговою ядерною реакцією ?

17. Що називають ядерним реактором?