Главная » 2012 » Апрель » 30 » Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции.
17:10
Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым
электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали
нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д.
Иваненко и В. Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель
атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома любого вещества состоит
из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов —
нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером
элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна
массовому числу. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.
Химические
вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но
имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов
отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протии
— ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного
протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и
двух нейтронов.
Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра
тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для
легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в
ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой
масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мn — (Мp +
Мn).
Так как между массой и энергией существует связь
, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна
выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия
называется энергией связи атомного ядра.
Выделение
этой энергии может происходить при ядерных реакциях. Ядерная реакция —
это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при
взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При
протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических
зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц,
вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел)
конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Цепная реакция деления — это ядерная реакция, в которой частицы,
вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым
условием для развития цепной реакции деления является требование k >
1, где k — коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа
нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.
Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235U. При
наличии определенных критических параметров (критическая масса — 50 кг,
шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении
первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде
цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного
взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах.
Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик
Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране
реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.
Термоядерные
реакции — это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой
температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза
ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная
реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся
международные исследования по управлению этой реакцией.