1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

of seminar on teachingphysics in schools (GIREP ’81). Balaton, Hungary, 1981. P. 213–233.2.5. Атомное ядро. Ядерные силы. Реакции деления. Цепная реакция75кинетической энергии. Причины существования минимума энергии в направлении «поперек» долины устойчивости можно понять из принципа Паули. Если рассуждать о неочень тяжелых ядрах, примерно до середины таблицы, то у них устойчивая конфигурация Z ≈ N. Как нейтроны, так и протоны занимают свои нижние энергетическиеуровни. Если добавлять «лишние» нейтроны, им придется занимать уровни повыше, тоесть иметь большую кинетическую энергию. То же самое верно для протонов. Можносказать, что бока долины – это как бы «склоны Паули».Долина устойчивости поднимается и в продольном направлении.

Причина этого – кулоновское отталкивание протонов в ядре. Поскольку электрическая энергия пропорциональна Z 2 , рано или поздно она начинает сказываться даже при сравнительной слабости электрических сил. По этой же причине полоса устойчивости загибается вверх (рис. 2.2): при больших Zчисло нейтронов N ≈ 1,5Z (например, для 238 U:N/Z = 146/92 = 1,59).

Выгодно «разбавить»ядро нейтронами, чтобы ослабить кулоновскоеотталкивание протонов. Но при этом возрастает кинетическая энергия нейтронов по принципу Паули. Выживают ядра, для которых достигается некоторый компромисс между этими эффектами. Конечно, компромисс не идеальный, иэнергия связи тяжелых ядер падает.Рис. 2.2.Поэтому ядро с большим Z стремитсяуменьшить свой заряд.

Один из способов – это α-распад. Когда вылетает α-частица, заряд ядра уменьшается на 2, а масса на 4. Правда, при этом нейтронно-протонный балансстановится хуже, но дело может поправить последующий β-распад (или несколько).Альфа-частица в некотором смысле существует внутри ядра и до распада, какустойчивая комбинация четырех нуклонов. Ясно, что движется она крайне быстро и«ударяется» о границы ядра часто. Распад происходит далеко не при каждом таком ударе, так как вылету препятствует потенциальный барьер. Но все же изредка α-частицапроизводит туннельный переход под барьером. Поскольку в квантовой механике всеявляется волной, то существует, хотя и небольшая, волновая функция α-частицы вклассически запрещенной области и тем самым вероятность покинуть ядро.

Это подтверждается расчетами периодов полураспада. И наоборот, налетев снаружи на ядро,частица в принципе могла бы изредка проникать внутрь, также пройдя под барьером. На практике наблюдается только α-распад, но не обратный ему α-синтез, потомучто концентрации и потоки α-частиц снаружи ядра несравнимы с «внутренними». НаГлава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА76ускорителях такие реакции возможны. С наружной стороны ядра барьер сформированэлектрическим отталкиванием, и поэтому его называют кулоновским.Для примера рассмотрим радиоактивный ряд урана-238 (рис. 2.3):Рис.

2.3.Всего выходит 8 α- и 6 β-распадов, с суммарной энергией около 50 МэВ. Посколькупервый распад – самый редкий, все последующие «подстраиваются» под него, и в породах, содержащих уран, всегда есть его «потомки» в сложившемся за миллиарды летравновесии. Измеряя количества дочерних изотопов, геофизики определяют возраст пород. Подобные же ряды дают уран-235, торий-232 и (не существующий в естественномвиде) нептуний-237.В отличие от α и β гамма-излучение – это, собственно, не распад, а переход возбужденного ядра на более низкий энергетический уровень.

Никаких перемещений потаблице Менделеева при этом не происходит. Высвободившаяся энергия уносится фотоном (γ-квантом). Позднее были найдены и другие типы радиоактивности – вылет изядра протонов, нейтронов, ядер углерода (и даже вплоть до магния), спонтанное деление (распад тяжелого ядра на примерно одинаковые осколки). В естественных условияхих роль невелика.При радиоактивности выделяется огромная энергия.

Если 1 МэВ получается прираспаде одного ядра, то 1 моль ядер даст 6 · 1,6 · 1023−12+6 ≈ 1018 эрг = 1011 Дж. Еслитратить на отопление дома 10 кВт, этой энергии хватит на 107 секунд, то есть практически на год (а ведь это всего 200 г топлива)! Но в своей первобытной форме ядернаяэнергия дорога («вокруг» грамма радия в начале XX века строили целые институты) и,еще хуже, неуправляема. Вещество распадается, не обращая на нас никакого внимания.2.5. Атомное ядро.

Ядерные силы. Реакции деления. Цепная реакция77В 1919 г. Резерфорд показал, что повлиять на ядро возможно, хотя это и трудно.Энергичные α-частицы, налетая на ядра азота, «сделали» несколько ядер кислорода:14N + 4 He → 17 O + 1 H .Была открыта трансмутация, мечта алхимиков22 . Можно делать и золото, например изα-частиц и иридия, но процесс во много раз дороже, чем добыча естественного золота.Для таких реакций нужна энергия. Тяжелые ядра защищены кулоновским барьером, и в них α-частицам проникнуть трудно.

В некоторых лабораториях взялись запостройку циклотронов, чтобы разгонять протоны или другие ядра и преодолеватькулоновское отталкивание. Но затрачивалось энергии всегда больше, чем удавалось получить. Резерфорд до конца жизни не верил в перспективы ядерной энергетики.Деление нейтронами. Сразу после открытия нейтрона его стали использовать длявоздействия на ядра.

Массу опытов с почти всеми элементами провел Э. Ферми в Риме.Нейтрон не отталкивается от ядра (нет кулоновского барьера) и поэтому может нетолько стукнуться о ядро, но и проникнуть внутрь, поглотиться. И для этого не надодорогих ускорителей. Недостаток средств «помог» группе Ферми.При захвате нейтрона получается более тяжелый изотоп, часто неустойчивый.

Распадаясь, он дает либо следующий элемент Z + 1 (β), либо Z − 2 (α). Возникает, какговорят, наведенная радиоактивность. Это позволяет делать датчики нейтронного облучения: и сейчас применяются датчики на основе индия, серебра и т.п., активностькоторых была обнаружена Ферми.В числе прочего нейтронами просветили и уран. Была получена заметная активность, но идентифицировать продукты реакции не удалось. Надеялись, что получаетсяследующий за ураном элемент 93. Это действительно имеет место, но основная активность была связана с делением урана нейтронами, до чего Ферми и его сотрудники недогадались. Явление было понято спустя несколько лет.Только в 1938 г.

О. Ган и Ф. Штрассман в Германии химическим путем установили,что среди продуктов при облучении урана нейтронами возникает изотоп бария. Барий гораздо легче урана, почти вдвое (номер 56, атомный вес по таблице 137). Труднопредставить цепь распадов, ведущую к его образованию (ср. 20680 Pb при обычном распадеурана). Возникла идея, что ядро урана разрывается на две близкие по массе части.Это – даже не новый вид радиоактивности, а нечто более перспективное. Замечательно выделение огромной энергии при делении ядра. Отталкивание зарядов 56 и 36(это ядро криптона) дает много больше, чем обычные виды распада.

Лиза Мейтнер,начинавшая с Ганом и Штрассманом эту работу, первая оценила энергию реакции; онаже предложила термин «деление урана».22Собственно, α- и β-распады – это тоже трансмутация, ведь происходит превращение элементов. Нораспад идет сам по себе, без всякой возможности влияния на него.

В реакции же Резерфорда кислородполучен именно искусственным путем. Интересно, что в естественных радиоактивных рядах по ирониисудьбы получается не золото, чего добивались алхимики, а как раз свинец, служивший им сырьем.78Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАРанее Ирен Кюри23 выделила продукт, который по всем признакам совпадал с лантаном – соседом бария. В это никто не верил до работ Гана, Штрассмана и Мейтнер.Сейчас известно, что лантан действительно один из продуктов деления, и вообще получается целое распределение ядер.

Отсюда видно, что объяснить открытие по крайнеймере так же важно, как сделать его.Калорийность урана. Пусть ядро разрывается на две примерно одинаковые части.Раз нейтрон делит ядро, значит, оно и до этого было не слишком прочным. Ядерные силы лишь немного превосходили электрическое отталкивание. И действительно,делился самый последний (на то время) элемент – уран; он и сам может распадаться, даже без такого слабого воздействия, как залетевший нейтрон. В 1940 г.

Флерови Петржак открыли спонтанное деление урана – очень редкий, но возможный процесс. Следовательно, можно записать A2/3 f ∼ (Ze/2)2 /(A1/3 r)2 , где f – характернаяядерная сила, r – ядерная длина 10−13 см. Слева – удерживающая сила (A2/3 – числосвязей между нуклонами в сечении ядра), справа – кулоновское отталкивание. Отсюдаf ∼ (e2 /r 2 ) · (Z 2 /4A4/3 ). Мы уже оценивали e2 /r 2 ≈ 20 кГ. Примерно та же величинаполучается и для f при Z = 92, A = 238. Но мы знаем, что ядерные силы значительнобольше. Как и в случае с дейтроном, мы не учли движения нуклонов в ядре, котороесоздает добавочное давление и понижает устойчивость. Можно сказать, что f – это какбы эффективная сила, учитывающая движение нуклонов.Если теперь ядро «лопнет» от удара нейтрона, то, как только половинки разойдутсяна ≈ r, ядерные силы практически перестанут сдерживать их, а кулоновские заметноне изменятся.

Характеристики

Список файлов лекций