Атомная станция, ядерные реакторы

Атомная энергетика
  • Ядерная реакция
  • Авария на ЧАЭС
  • Антуан Беккерель
  • Ядерный топливный цикл
  • Степень опасности РАО
  • Лазерная трансмутация
  • География транспортировки ядерных
    отходов в России
  • Новоуральск и ядерные отходы
  • СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
    АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
  • Атомные электростанции (АЭС)
  • Главным сооружением АЭС
    является энергоблок
    .
  • Физика атомного ядра
  • Радиоактивное излучение
  • Выделение энергии при делении
    тяжёлых ядер
    .
  • Зал управления Ленинградской АЭС
  • Физика атомного ядра

    1. Нуклонная модель ядра. Дефект массы. Энергия связи и устойчивость ядер.

    2. Радиоактивное излучение. Закон радиоактивного распада. Закон смещения.

    3. Выделение энергии при делении тяжёлых ядер. Ядерные источники энергии. 4. Реакция синтеза. Водородно–углеродный цикл. Проблема управляемых термоядерных реакций.

     

      Нуклонная модель ядра. Дефект массы.

     Энергия связи и устойчивость ядер.

    Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом).

    Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя mp= 1,6726 · 10-27 кг  1836 me, где me — масса электрона. Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя mn= 1,6749 · 10-27 кг 1839 me. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Спины нуклонов  складываются в результирующий спин ядра . Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

    Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z== 1 до Z== 107.

    Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

    Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A—Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z—изобарами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: —протий (Z=1, N=0), —дейтерий (Z=1, N=1), -тритий (Z=1, N=2), олово—десять, и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра , , . В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим.

     Радиус ядра задается эмпирической формулой

       (9.1)

    где R0=(1,31,7)10-15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность (из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы (26.1) вытекает, что объем ядра пропорционален числу ну клонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер ( 1017 кг/м3).

    Исследования показывают, что атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра, которая выражается 

       , (9.2)

    где mp, mn , mя - соответственно массы протона, нейтрона и ядра.

    В таблицах обычно приводятся не массы тя, ядер, а массы т атомов. Поэтому для энергии связи ядра пользуются формулой

     , (9.3)

    где mH — масса атома водорода. Так как тH больше тр на величину тe ,то первый членв квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но так как масса атома т отличается от массы ядра тя, как раз на массу Z электронов, то вычисления по формулам (9.2) и (9.3) приводят к одинаковым результатам. Величина

     

    называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.

    Наряду с этим, используется понятие удельная энергия связи - энергия связи, отнесенную к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем больше Есв, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи

    зависит от массового числа А элемента (рис. 9.1). Для легких ядер () удельная энергия связи круто возрастает до 67 МэВ, претерпевая целый ряд скачков (например, для  Есв=1,1 МэВ, для —7,1 МэВ, для —5,3 МэВ), затем более медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ у элементов с А= 5060, а потом постепенно уменьшается у тяжелых элементов (например, для  она составляет 7,6 МэВ). Отметим для сравнения, что энергия связи валентных электронов в атомах составляет примерно 10 эВ (в 106 раз меньше).

    Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами становится менее сильной, а сами ядра менее прочными.

    Наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являются и число протонов, и число нейтронов (этих ядер насчитывается всего пять: , , , 2048, ).

    Из рис. 9.1 следует, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции.

    Зал управления Ленинградской АЭС