Тема 13. Распад ядер и ядерные реакции.

1. Радиоактивность. Получите закон радиоактивного распада. Нарисуйте графики для числа нераспавшихся и распавшихся ядер в зависимости от времени. Постоянная радиоактивного распада, период полураспада, среднее время жизни ядра. Статистический характер радиоактивного распада.

 

Самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или лёгких ядер, называется радиоактивность.

Радиоактивные элементы могут испускать альфа- или бета-частицы, а также гамма-лучи.

В основе вывода закона лежит предположение, что за очень малое время dt число распавшихся частиц dN пропорциональной этому времени и количеству самих частиц: . Вводя коэффициент пропорциональности и, учитывая, что количество частиц убывает (они превращаются в другие частицы), можно записать: . Чтобы получить формулу для количества радиоактивных частиц в любой момент времени, следует проинтегрировать это выражение, разделив переменные N и t: .

Окончательно: - закон радиоактивного распада.

- число радиоактивных частиц (оставшихся нераспавшимися) к моменту времени t.

- первоначальное число радиоактивных частиц (к моменту начала отсчёта времени).

- постоянная радиоактивного распада.

Отсюда можно получить: - число новых частиц, образовавшихся вследствие радиоактивного распада.

На рис. показаны графики зависимости и от времени. Здесь указаны характеристики распада:

- период полураспада - это время, в течение которого распадается половина начального количества ядер.

- среднее время жизни - это время, в течение которого начальное количество ядер убывает в е=2,7… раз.

- постоянная радиоактивного распада, численно равна относительному числу распавшихся частиц за единицу времени или это вероятность распада за единицу времени.

 

- активность - скорость убывания радиоактивных частиц, она показывает убыль (за счёт распада) частиц на единицу времени.

 

2. Альфа-распад. Напишите реакцию распада, поясните, что такое -частица. Нарисуйте примерный график зависимости потенциальной энергии -частицы от расстояния от ядра.

 

При альфа-распаде ядро радиоактивного элемента испускает альфа частицу, состоящую из двух нейтронов, то есть ядро атома гелия-4.

- реакция альфа-распада, элемент Х превращается в элемент Y, занимающий в таблице Менделеева место на 2 номера меньше, чем Х. Ядро Х называется материнским ядром, а Y дочерним ядром.

При альфа-распаде наблюдаются закономерности:

1)альфа-распад наблюдается только для тяжёлых элементов (Z>83);

2)периоды полураспада Т для различных элементов лежат в очень широком диапазоне:

от 10^-10с до 10²⁰лет;

3)большинство альфа-частиц, вылетающих при альфа-распаде, имеют одинаковые энергии, то есть являются моноэнергетическими. Некоторые ядра испускают несколько типов моноэнергетических частиц (2-4Мэв и 4-9Мэв).

Из рисунка видно, что альфа-частица находиться в потенциальной яме. На малых расстояниях от ядра (АВ) преобладают ядерные силы притяжения. Если альфа-частица перейдёт через потенциальный барьер, то в области CD будут преобладать силы отталкивания (кулоновские), которые вытолкнут альфа-частицу из ядра.

Эффект проникновения частиц через потенциальный барьер называется туннельным эффектом.

 

3. Типы бета-распадов: - и -распады. Напишите реакции превращений элементов и частиц внутри ядра. Нейтрино и антинейтрино.

Существует три типа бета-распада: , и К-захват. Периоды полураспада при бета-распадах составляют от 10^-2с до 10¹⁸лет. Бета-распад наблюдается как для тяжёлых, так и для лёгких ядер.

1) -распад или электронный распад. При -распаде радиоактивное ядро Х испускает электрон ( -частицу - другое название электрона), превращаясь в ядро Y нового элемента с порядковым номером на единицу больше и, кроме того, вылетает ещё одна частица - антинейтрино ().

- реакция -распада (правило смещения); электронов в ядре нет, вылетающий электрон рождается за счёт превращения нейтрона в протон (и антинейтрино): .

В 1931 году Паули выдвинул гипотезу о нейтрино и антинейтрино.

 

2) -распад или позитронный распад. При -распаде радиоактивное ядро Х испускает позитрон ( -частица - другое название позитрона - это античастица электрона, у неё такие же свойства, как у электрона, но заряд равен ), превращаясь в ядро Y нового элемента с порядковым номером на единицу меньше и, кроме того, вылетает ещё одна частица - нейтрино ().

- реакция -распада (правило смещения); позитронов в ядре нет, вылетающий позитрон рождается за счёт превращения протона в нейтрон (и нейтрино): .

В 1931 году Паули выдвинул гипотезу о нейтрино и антинейтрино.

 

4. K-захват или электронный захват как разновидность бета-распада. Напишите реакции превращений элементов и частиц внутри ядра. Нейтрино.

 

3) К-захват или е-захват. Ядро захватывает электрон с энергетической К-оболочки атома (очень редко с L-оболочки). На место захваченного электрона переходит электрон с более высокой оболочки, и при этом испускает квант электромагнитного (рентгеновского) излучения. Таким образом, процесс К-захвата можно обнаружить по испусканию веществом рентгеновских лучей.

- реакция К-захвата (правило смещения); в ядре, захватившем электрон, происходит превращение протона в нейтрон и нейтрино: .

В 1931 году Паули выдвинул гипотезу о нейтрино и антинейтрино.

 

5. Гамма-излучение и его взаимодействие с веществом.

 

Гамма-излучение - это «жёсткое» электромагнитное излучение с очень короткими длинами волн от: 10^-23 до 10^-10м. При альфа-распаде или бета-распаде, дочернее ядро может оказаться в возбуждённом состоянии, и при переходе в более низкое энергетическое состояние будет испускать гамма-квант. Спектр гамма-излучения всегда дискретный.

- закон поглощения -излучения; - интенсивность падающего излучения, I - интенсивность излучения, проходящего через слой вещества толщиной х, - линейный коэффициент поглощения, е=2,7…

 

6. Реакция деления тяжелых ядер. Принципы действия ядерных реакторов. Что такое «ядерная энергия»?

 

Ядерный реактор - аппарат, в котором происходят ядерные реакции - превращения одних химических элементов в другие. Для этих реакций необходимо наличие в реакторе делящегося вещества, которое при своем распаде выделяет элементарные частицы, способные вызвать распад других ядер.

Ядерная энергия - внутренняя энергия атомного ядра, связанная с движением и взаимодействием образующих ядро нуклонов. Различают два получения ядерной энергии:

- осуществление ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер;

- осуществление термоядерной реакции синтеза легких ядер.

 

7. Проблемы управляемого термоядерного синтеза легких ядер.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) - процесс слияния легких атомных ядер при экстремально высоких температурах (десятки или сотни миллионов градусов) в регулируемых условиях, проходящий с мощным выделением энергии.

В 1950 году пионеры УТС академики Андрей Сахаров и Игорь Тамм провели расчеты и предложили принципиальную схему магнитного термоядерного реактора. Такое устройство внешне выглядит как полый бублик (или тор), на который намотан проводник, образующий магнитное поле (отсюда и его название - тороидальная камера с магнитной катушкой, сокращенно токамак.)

Чтобы разогреть в этом устройстве плазму до нужных температур, с помощью магнитного поля возбуждается электрический ток, сила которого достигает 20 млн ампер. Магнитное поле очень высокой напряженности не дает заряженным частицам вылетать за пределы «плазменного шнура», зато образующиеся во время реакции синтеза нейтроны магнитным полем не задерживаются и передают свою энергию внутренним стенкам установки (так называемого бланкета), которые охлаждаются водой. Выделяемое в бланкете тепло снимается теплоносителем первого контура охлаждения, и получающийся в результате пар можно направить на турбину, как и в обычных электростанциях.