Nucleul atomic, format dintr-un anumit număr de protoni și neutroni, este o singură entitate datorită forțelor specifice care acționează între nucleonii nucleului și se numesc nuclear. S-a dovedit experimental că forțele nucleare sunt foarte mari, depășind cu mult forțele de repulsie electrostatică dintre protoni. Acest lucru se manifestă prin faptul că energia specifică de legare a nucleonilor din nucleu este mult mai mare decât activitatea forțelor de repulsie Coulomb. Să luăm în considerare principalele caracteristici ale forțelor nucleare.
1. Forțele nucleare sunt forțe atractive cu rază scurtă de acțiune . Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleul de ordinul 10 -15 m. Distanța de ordinul (1,5 - 2,2) 10 -15 m se numește raza de acțiune a forțelor nucleare, cu creșterea acesteia, forțele nucleare scad rapid. La o distanță de ordinul (2-3) m, interacțiunea nucleară dintre nucleoni este practic absentă.
2. Forțele nucleare au proprietatea saturare, acestea. fiecare nucleon interacționează doar cu un anumit număr de vecini cei mai apropiați. Acest caracter al forțelor nucleare se manifestă prin constanta aproximativă a energiei specifice de legare a nucleonilor la un număr de sarcină. A>40. Într-adevăr, dacă nu ar exista saturație, atunci energia de legare specifică ar crește odată cu creșterea numărului de nucleoni din nucleu.
3. O caracteristică a forțelor nucleare este și a lor incarca independenta , adică nu depind de sarcina nucleonilor, deci interacțiunile nucleare dintre protoni și neutroni sunt aceleași. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor de legare nuclee de oglindă . Așa-numitele nuclee, în care numărul total de nucleoni este același, dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, energiile de legare ale nucleelor de heliu și hidrogen greu - tritiu sunt, respectiv, 7,72 MeVși 8,49 MeV. Diferența de energii de legare a acestor nuclee, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie coulombiană a doi protoni din nucleu. Presupunând că această valoare este egală cu , putem constata că distanța medie rîntre protoni din nucleu este de 1,9·10 -15 m, ceea ce este în concordanță cu raza de acțiune a forțelor nucleare.
4. Forțe nucleare nu sunt centrale și depind de orientarea reciprocă a spinurilor nucleonilor care interacționează. Acest lucru este confirmat de natura diferită a împrăștierii neutronilor de către moleculele orto- și para-hidrogenului. În molecula de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce în molecula de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor de către parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea de către ortohidrogen.
Natura complexă a forțelor nucleare nu permite dezvoltarea unei singure teorii consistente a interacțiunii nucleare, deși au fost propuse multe abordări diferite. Conform ipotezei fizicianului japonez H. Yukawa, pe care a propus-o în 1935, forțele nucleare se datorează schimbului - mezoni, adică. particule elementare, a căror masă este de aproximativ 7 ori mai mică decât masa nucleonilor. Conform acestui model, un nucleon în timp 
m- masa mezonului) emite un mezon, care, deplasându-se cu o viteză apropiată de viteza luminii, parcurge o distanţă 
, după care este absorbit de al doilea nucleon. La rândul său, al doilea nucleon emite și un mezon, care este absorbit de primul. Prin urmare, în modelul lui H. Yukawa, distanța la care interacționează nucleonii este determinată de lungimea căii mezonului, care corespunde unei distanțe de aproximativ mși coincide în ordinea mărimii cu raza de acțiune a forțelor nucleare.
Să ne întoarcem la considerarea interacțiunii de schimb între nucleoni. Există mezoni pozitivi, negativi și neutri. Modulul de sarcină al - sau - mezonilor este numeric egal cu sarcina elementară e. Masa mesonilor încărcați este aceeași și egală cu (140 MeV), masa mezonului este 264 (135 MeV). Spinul atât al mezonilor încărcați, cât și al neutru este 0. Toate cele trei particule sunt instabile. Durata de viață a mezonilor - și - este de 2,6 Cu, - mezon – 0,8 10 -16 Cu. Interacțiunea dintre nucleoni se realizează conform uneia dintre următoarele scheme:
(22.7)
1. Nucleonii fac schimb de mezoni:
În acest caz, protonul emite - un mezon, transformându-se într-un neutron. Mezonul este absorbit de neutron, care în consecință se transformă într-un proton, apoi același proces are loc în direcția opusă. Astfel, fiecare dintre nucleonii care interacționează petrece o parte din timp într-o stare încărcată și o parte într-o stare neutră.
2. Schimb de nucleoni - mezoni:
3. Schimb de nucleoni - mezoni:
. (22.10)
Toate aceste procese au fost dovedite experimental. În special, primul proces este confirmat atunci când un fascicul de neutroni trece prin hidrogen. În fascicul apar protoni în mișcare, iar în țintă se găsește numărul corespunzător de neutroni în repaus.
modele de nucleu. Absența unei legi matematice pentru forțele nucleare nu permite crearea unei teorii unificate a nucleului. Încercările de a crea o astfel de teorie întâmpină dificultăți serioase. Aici sunt câțiva dintre ei:
1. Insuficiența cunoștințelor despre forțele care acționează între nucleoni.
2. Greutatea extremă a problemei cuantice cu mai multe corpuri (un nucleu cu un număr de masă A este un sistem de A corpuri).
Aceste dificultăți ne obligă să urmăm calea creării de modele nucleare care să permită descrierea unui anumit set de proprietăți ale nucleului cu ajutorul unor mijloace matematice relativ simple. Niciunul dintre aceste modele nu poate oferi o descriere absolut exactă a nucleului. Prin urmare, trebuie utilizate mai multe modele.
Sub modelul nucleului în fizica nucleară înțelegeți totalitatea ipotezelor fizice și matematice cu care puteți calcula caracteristicile unui sistem nuclear format din A nucleonii. Au fost propuse și dezvoltate multe modele de diferite grade de complexitate. Vom lua în considerare doar cele mai faimoase dintre ele.
Modelul hidrodinamic (picătură) al miezului a fost dezvoltat în 1939. N. Bor și omul de știință sovietic J. Frenkel. Se bazează pe presupunerea că, datorită densității mari a nucleonilor din nucleu și a interacțiunii extrem de puternice dintre aceștia, mișcarea independentă a nucleonilor individuali este imposibilă, iar nucleul este o picătură de lichid încărcat cu densitate. Ca și în cazul unei picături lichide obișnuite, suprafața nucleului poate oscila. Dacă amplitudinea oscilației devine suficient de mare, are loc procesul de fisiune nucleară. Modelul picăturilor a făcut posibilă obținerea unei formule pentru energia de legare a nucleonilor dintr-un nucleu și a explicat mecanismul unor reacții nucleare. Cu toate acestea, acest model nu permite explicarea celor mai multe dintre spectrele de excitație ale nucleelor atomice și stabilitatea specială a unora dintre ele. Acest lucru se datorează faptului că modelul hidrodinamic reflectă foarte aproximativ esența structurii interne a nucleului.
Modelul Shell al nucleului dezvoltat în 1940-1950 de fizicianul american M. Goeppert - Mayer și fizicianul german H. Jensen. Se presupune că fiecare nucleon se mișcă independent de ceilalți într-un anumit câmp potențial mediu (potențial bine creat de nucleonii rămași ai nucleului. În cadrul modelului de înveliș, funcția nu este calculată, ci este selectată astfel încât cel mai bun acord. cu datele experimentale se poate realiza.
Adâncimea puțului de potențial este de obicei ~ (40-50) MeVși nu depinde de numărul de nucleoni din nucleu. Conform teoriei cuantice, nucleonii dintr-un câmp se află la anumite niveluri de energie discrete. Principala ipoteză a creatorilor modelului de înveliș cu privire la mișcarea independentă a nucleonilor în câmpul potențial mediu este în conflict cu principalele prevederi ale dezvoltatorilor modelului hidrodinamic. Prin urmare, caracteristicile miezului, care sunt bine descrise de modelul hidrodinamic (de exemplu, valoarea energiei de legare), nu pot fi explicate în cadrul modelului învelișului și invers.
Modelul nucleului generalizat , dezvoltat în anii 1950-1953, combină principalele prevederi ale creatorilor modelelor hidrodinamice și a cochiliei. În modelul generalizat, se presupune că nucleul constă dintr-o parte internă stabilă - miezul, care este format din nucleoni de cochilii umplute și nucleoni externi care se mișcă în câmpul creat de nucleonii de bază. În acest sens, mișcarea miezului este descrisă de modelul hidrodinamic, în timp ce mișcarea nucleonilor externi este descrisă de modelul învelișului. Datorită interacțiunii cu nucleonii externi, nucleul poate fi deformat, iar nucleul se poate roti în jurul unei axe perpendiculare pe axa de deformare. Modelul generalizat a făcut posibilă explicarea principalelor caracteristici ale spectrelor de rotație și vibrație ale nucleelor atomice, precum și a valorilor ridicate ale momentului electric cvadrupol pentru unele dintre ele.
Am luat în considerare principalele fenomenologice, adică. modele descriptive, de bază. Cu toate acestea, pentru o înțelegere completă a naturii interacțiunilor nucleare care determină proprietățile și structura nucleului, este necesar să se creeze o teorie în care nucleul să fie considerat ca un sistem de nucleoni care interacționează.
Nucleul atomic, format dintr-un anumit număr de protoni și neutroni, este o singură entitate datorită forțelor specifice care acționează între nucleonii nucleului și se numesc nuclear. S-a dovedit experimental că forțele nucleare sunt foarte mari, depășind cu mult forțele de repulsie electrostatică dintre protoni. Acest lucru se manifestă prin faptul că energia specifică de legare a nucleonilor din nucleu este mult mai mare decât activitatea forțelor de repulsie Coulomb. Luați în considerare principalul caracteristicile forțelor nucleare.
1. Forțele nucleare sunt forțe atractive cu rază scurtă de acțiune . Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul 10–15 m. O distanță de ordinul (1,5–2,2) 10–15 m se numește gama de forţe nucleare, odată cu creșterea ei, forțele nucleare scad rapid. La o distanță de ordinul (2-3) m, interacțiunea nucleară dintre nucleoni este practic absentă.
2. Forțele nucleare au proprietatea saturare, acestea. fiecare nucleon interacționează doar cu un anumit număr de vecini cei mai apropiați. Acest caracter al forțelor nucleare se manifestă prin constanta aproximativă a energiei specifice de legare a nucleonilor la un număr de sarcină. A>40. Într-adevăr, dacă nu ar exista saturație, atunci energia de legare specifică ar crește odată cu creșterea numărului de nucleoni din nucleu.
3. O caracteristică a forțelor nucleare este și a lor incarca independenta , adică nu depind de sarcina nucleonilor, deci interacțiunile nucleare dintre protoni și neutroni sunt aceleași. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor de legare nuclee de oglindă . Așa-numitele nuclee, în care numărul total de nucleoni este același, dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, energiile de legare ale nucleelor de heliu și hidrogen greu - tritiu sunt, respectiv, 7,72 MeVși 8,49 MeV. Diferența de energii de legare a acestor nuclee, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie coulombiană a doi protoni din nucleu. Presupunând că această valoare este egală cu , putem constata că distanța medie rîntre protoni din nucleu este de 1,9·10 -15 m, ceea ce este în concordanță cu raza de acțiune a forțelor nucleare.
4. Forțe nucleare nu sunt centrale și depind de orientarea reciprocă a spinurilor nucleonilor care interacționează. Acest lucru este confirmat de natura diferită a împrăștierii neutronilor de către moleculele orto- și para-hidrogenului. În molecula de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce în molecula de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor de către parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea de către ortohidrogen.
Natura complexă a forțelor nucleare nu permite dezvoltarea unei singure teorii consistente a interacțiunii nucleare, deși au fost propuse multe abordări diferite. Conform ipotezei fizicianului japonez H. Yukawa (1907-1981), pe care a propus-o în 1935, forțele nucleare se datorează schimbului - mezoni, adică. particule elementare, a căror masă este de aproximativ 7 ori mai mică decât masa nucleonilor. Conform acestui model, un nucleon în timp 
m- masa mezonului) emite un mezon, care, deplasându-se cu o viteză apropiată de viteza luminii, parcurge o distanţă 
, după care este absorbit de al doilea nucleon. La rândul său, al doilea nucleon emite și un mezon, care este absorbit de primul. Prin urmare, în modelul lui H. Yukawa, distanța la care interacționează nucleonii este determinată de lungimea căii mezonului, care corespunde unei distanțe de aproximativ mși coincide în ordinea mărimii cu raza de acțiune a forțelor nucleare.
Să ne întoarcem la considerarea interacțiunii de schimb între nucleoni. Există mezoni pozitivi, negativi și neutri. Modulul de sarcină al - sau - mezonilor este numeric egal cu sarcina elementară e
. Masa mesonilor încărcați este aceeași și egală cu (140 MeV), masa mezonului este 264 (135 MeV). Spinul atât al mezonilor încărcați, cât și al neutru este 0. Toate cele trei particule sunt instabile. Durata de viață a mezonilor - și - este de 2,6 Cu, - mezon – 0,8 10 -16 Cu. Interacțiunea dintre nucleoni se realizează conform uneia dintre următoarele scheme:
1. Nucleonii fac schimb de mezoni: . (22,8)
În acest caz, protonul emite - un mezon, transformându-se într-un neutron. Mezonul este absorbit de neutron, care în consecință se transformă într-un proton, apoi același proces are loc în direcția opusă. Astfel, fiecare dintre nucleonii care interacționează petrece o parte din timp într-o stare încărcată și o parte într-o stare neutră.
2. Schimb de nucleoni - mezoni:
3. Schimb de nucleoni - mezoni:
, (22.10)
Toate aceste procese au fost dovedite experimental. În special, primul proces este confirmat atunci când un fascicul de neutroni trece prin hidrogen. În fascicul apar protoni în mișcare, iar în țintă se găsește numărul corespunzător de neutroni în repaus.
modele de nucleu. Sub modelul nucleului în fizica nucleară înțelegeți totalitatea ipotezelor fizice și matematice cu care puteți calcula caracteristicile unui sistem nuclear format din A nucleonii.
Modelul hidrodinamic (picătură) al miezului Se bazează pe presupunerea că, datorită densității mari a nucleonilor din nucleu și a interacțiunii extrem de puternice dintre aceștia, mișcarea independentă a nucleonilor individuali este imposibilă, iar nucleul este o picătură de lichid încărcat cu o densitate. 
.
Modelul Shell al nucleului Se presupune că fiecare nucleon se mișcă independent de ceilalți într-un câmp potențial mediu (puț de potențial) creat de nucleonii rămași ai nucleului.
Modelul nucleului generalizat, combină principalele prevederi ale creatorilor modelelor hidrodinamice și a cochiliei. În modelul generalizat, se presupune că nucleul constă dintr-o parte internă stabilă - miezul, care este format din nucleoni de cochilii umplute și nucleoni externi care se mișcă în câmpul creat de nucleonii de bază. În acest sens, mișcarea miezului este descrisă de modelul hidrodinamic, în timp ce mișcarea nucleonilor externi este descrisă de modelul învelișului. Datorită interacțiunii cu nucleonii externi, nucleul poate fi deformat, iar nucleul se poate roti în jurul unei axe perpendiculare pe axa de deformare.
26. Reacții de fisiune a nucleelor atomice. Energie nucleară.
Reacții nucleare numite transformări ale nucleelor atomice cauzate de interacțiunea lor între ele sau cu alte nuclee sau particule elementare. Primul mesaj despre o reacție nucleară îi aparține lui E. Rutherford. În 1919, el a descoperit că atunci când - particulele trec prin azot gazos, unele dintre ele sunt absorbite și, în același timp, sunt emiși protoni. Rutherford a ajuns la concluzia că nucleele de azot au fost transformate în nuclee de oxigen ca urmare a unei reacții nucleare de forma:
, (22.11)
unde − - particulă; − proton (hidrogen).
Un parametru important al unei reacții nucleare este puterea sa de energie, care este determinată de formula:
(22.12)
Iată și sunt sumele maselor de rest ale particulelor înainte și după reacție. Când reacțiile nucleare au loc cu absorbția de energie, de aceea sunt numite endotermic, iar la - cu eliberarea energiei. În acest caz se numesc exotermic.
În orice reacție nucleară, există întotdeauna legi de conservare :
− incarcare electrica;
− numărul de nucleoni;
− energie;
− impuls.
Primele două legi fac posibilă notarea corectă a reacțiilor nucleare chiar și atunci când una dintre particulele care participă la reacție sau unul dintre produșii acesteia este necunoscut. Folosind legile conservării energiei și impulsului, se pot determina energiile cinetice ale particulelor care se formează în timpul reacției, precum și direcția mișcării lor ulterioare.
Pentru a caracteriza reacțiile endoterme, este introdus conceptul energie cinetică de prag , sau pragul de reacție nucleară , acestea. cea mai mică energie cinetică a unei particule incidente (în cadrul de referință în care nucleul țintă este în repaus) la care devine posibilă o reacție nucleară. Din legea conservării energiei și a impulsului rezultă că energia de prag a unei reacții nucleare se calculează prin formula:
. (22.13)
Iată energia reacției nucleare (7.12); -masa nucleului imobil - tinta; este masa particulei incidente pe nucleu.
reacții de fisiune. În 1938, oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann au descoperit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, uneori apar nuclee care au aproximativ jumătate din dimensiunea nucleului original de uraniu. Acest fenomen a fost numit Fisiune nucleara.
Reprezintă prima reacție de transformări nucleare observată experimental. Un exemplu este una dintre posibilele reacții de fisiune nucleară ale uraniului-235:
Procesul de fisiune nucleară decurge foarte rapid pentru un timp de ~10 -12 s. Energia care este eliberată în timpul unei reacții precum (22.14) este de aproximativ 200 MeV pe act de fisiune a nucleului de uraniu-235.
În cazul general, reacția de fisiune a nucleului de uraniu-235 poate fi scrisă astfel:
+neutroni .
(22.15)
Mecanismul reacției de fisiune poate fi explicat în cadrul modelului hidrodinamic al nucleului. Conform acestui model, atunci când un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu, acesta intră într-o stare excitată (Fig. 22.2).
Excesul de energie pe care îl primește nucleul ca urmare a absorbției unui neutron determină o mișcare mai intensă a nucleonilor. Ca urmare, nucleul este deformat, ceea ce duce la o slăbire a interacțiunii nucleare cu rază scurtă. Dacă energia de excitație a nucleului este mai mare decât o energie numită energie activatoare , apoi sub influența respingerii electrostatice a protonilor, nucleul se împarte în două părți, odată cu emisia neutroni de fisiune . Dacă energia de excitație la absorbția unui neutron este mai mică decât energia de activare, atunci nucleul nu ajunge
stadiu critic al fisiunii și, după ce a emis un cuantic, revine la principal
Între nucleonii care alcătuiesc nucleul acţionează forte nucleare , depășind semnificativ forțele de respingere Coulomb între protoni. Din punctul de vedere al teoriei câmpului particulelor elementare, forțele nucleare sunt în principal forțe de interacțiune a câmpurilor magnetice ale nucleonilor din zona apropiată. La distanțe mari, energia potențială a unei astfel de interacțiuni scade conform legii 1/r 3 - asta explică caracterul lor de rază scurtă. La distanță (3 ∙10 -13 cm) forțele nucleare devin dominante, iar la distanțe mai mici de (9,1 ∙10 -14 cm) se transformă în forțe de respingere și mai puternice.
forte nucleare sunt rază scurtă forte. Apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul 10–15 m. Lungimea (1,5–2,2) 10–15 m se numește gama de forţe nucleare.
Forțele nucleare descoperă incarca independenta : atractia dintre doi nucleoni este aceeasi indiferent de starea de sarcina a nucleonilor - proton sau neutron. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor de legare nuclee de oglindă . Cum se numesc nucleele?,în care numărul total de nucleoni este același,dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, nuclee de heliu și hidrogen greu - tritiu. Energiile de legare ale acestor nuclee sunt 7,72 MeV și 8,49 MeV.
Diferența de energii de legare a nucleelor, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie coulombiană a doi protoni din nucleu.
Forţele nucleare au proprietatea de saturație , care se manifestă în, că un nucleon dintr-un nucleu interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni vecini cei mai apropiați de acesta. De aceea, există o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor de numărul lor de masă A. Saturația aproape completă a forțelor nucleare se realizează în particula α, care este o formațiune foarte stabilă.
Forțele nucleare depind de orientări de spin nucleoni care interacționează. Acest lucru este confirmat de caracterul diferit al împrăștierii neutronilor de către moleculele orto- și para-hidrogenului. În molecula de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce în molecula de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor de către parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea de către ortohidrogen. forte nucleare nu sunt centrale.
Interacțiunea dintre nucleoni apare ca urmare a emisiei și absorbției de cuante din câmpul nuclear – π- mezonii . Ei definesc câmpul nuclear prin analogie cu câmpul electromagnetic, care apare ca urmare a schimbului de fotoni.
Energie legată
Puterea nucleelor este caracterizată de energia de legare. Mărimea energiei de legare este egal cu munca care trebuie cheltuită pentru a distruge nucleul în nucleonii săi constituenți fără a le conferi energie cinetică. . Aceeași cantitate de energie este eliberată în timpul formării unui nucleu din nucleoni. Energia de legare nucleară este diferența dintre energia tuturor nucleonilor liberi care formează nucleul și energia lor din nucleu.
Când se formează un nucleu, masa acestuia scade: masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constitutivi. Scăderea masei nucleului în timpul formării lui se explică prin eliberarea energiei de legare. Cantitatea de energie conținută în materie este direct legată de masa sa prin relația Einstein
E=mc2 .
V Conform acestei relații, masa și energia sunt forme diferite ale aceluiași fenomen. Nici masa și nici energia nu dispar, dar în condiții adecvate trec din ele de la o specie la alta, de ex. orice modificare a masei m sistemului corespunde modificării echivalente a energiei sale E.
Se numește diferența dintre suma maselor nucleonilor liberi și masa nucleului defect de masă nucleul atomic. Dacă nucleul cu masă m format din Z protoni cu masă m p iar din (A - Z) neutroni cu masa m n , apoi defectul de masă Δ m este determinată de raport
Atunci când un nucleu se formează din particule, acestea din urmă, datorită acțiunii forțelor nucleare la distanțe mici, se năpustesc cu o accelerație mare unele către altele. Razele gamma emise în acest caz au doar energie E Sf. si greutate m .
Prin defectul de masă, folosind ecuația Einstein ( E \u003d mc 2 ) se poate determina energia eliberată ca urmare a formării nucleului, i.e. energie de legătură (E cv ):
E cv = Δ m c 2
Energia de legare per nucleon (adică energia de legare totală împărțită la numărul de nucleoni din nucleu) se numește energie de legare specifică :
Cu cât valoarea absolută a energiei specifice de legare este mai mare, cu atât interacțiunea dintre nucleoni este mai puternică și nucleul este mai puternic. Cea mai mare energie de legare per nucleon, aproximativ 8,75 MeV, este inerentă elementelor din partea de mijloc a tabelului periodic.
Spectre nucleare
Nucleul atomic, ca și alte obiecte din microlume, este un sistem cuantic. Aceasta înseamnă că descrierea teoretică a caracteristicilor sale necesită implicarea teoriei cuantice. În teoria cuantică, se bazează descrierea stărilor sistemelor fizice funcții de undă, sau amplitudini de probabilitateψ(α,t). Pătratul modulului acestei funcții determină densitatea de probabilitate a detectării sistemului studiat într-o stare cu caracteristica α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2. Argumentul funcției de undă poate fi, de exemplu, coordonatele particulei.
Natura cuantică a nucleelor atomice se manifestă în modelele spectrelor lor de excitație. Nucleii au spectre discrete de posibile stări de energie. Astfel, cuantizarea energiei și a unui număr de alți parametri este o proprietate nu numai a atomilor, ci și a nucleelor atomice. Se numește starea nucleului atomic cu cantitatea minimă de energie principal, sau normale, se numesc stări cu exces de energie (comparativ cu starea fundamentală). excitat .
Spectrul de stări ale nucleului 12 CU
Atomii sunt de obicei în stări excitate pentru aproximativ 10 -8 secunde, iar nucleii atomici excitați scapă de excesul de energie într-un timp mult mai scurt - aproximativ 10 -15 - 10 -16 secunde. La fel ca atomii, nucleele excitate sunt eliberate din excesul de energie prin emiterea de cuante de radiație electromagnetică. Aceste cuante se numesc cuante gamma (sau raze gamma). Un set discret de stări energetice ale nucleului atomic corespunde unui spectru discret de frecvențe emise de razele gamma.
Multe modele din spectrele nucleare pot fi explicate folosind așa-numitul model de înveliș al structurii nucleului atomic. Conform acestui model, nucleonii din nucleu nu sunt amestecați în dezordine, dar, ca și electronii din atom, ei sunt aranjați în grupuri legate, umplând învelișurile nucleare permise. În acest caz, învelișurile de protoni și neutroni sunt umplute independent unul de celălalt. Numărul maxim de neutroni: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 și protoni: 2, 8, 20, 28, 50, 82 în cochilii umplute se numesc magie. Nucleele cu numere magice de protoni și neutroni au multe proprietăți remarcabile: o valoare crescută a energiei specifice de legare, o probabilitate mai mică de a intra într-o interacțiune nucleară, rezistență la dezintegrarea radioactivă etc. „Dublu magic” sunt, de exemplu, nucleele. 4 El, 16 O, 28 Si. Tocmai datorită stabilității lor deosebit de ridicate, aceste nuclee sunt cele mai comune în natură.
Trecerea nucleului de la starea fundamentală la starea excitată și revenirea lui la starea fundamentală, din punctul de vedere al modelului de înveliș, se explică prin trecerea nucleonului de la o înveliș la alta și înapoi.
Tranziții spontane ale nucleelor din stările excitate superioare discret spectrul nucleului de coborât (inclusiv starea fundamentală) sunt realizate, de regulă, prin radiația γ-quanta, adică. în detrimentul interacțiuni electromagnetice. În regiunea energiilor mari de excitație, când E > E ot, lățimile de nivel ale nucleului excitat cresc brusc. Faptul este că în separarea nucleonului de nucleu, rolul principal este jucat de forțele nucleare - adică. interacțiuni puternice. Probabilitatea interacțiunilor puternice este cu ordine de mărime mai mare decât probabilitatea celor electromagnetice, astfel încât lățimile de dezintegrare pentru interacțiunile puternice sunt mari și nivelurile spectrelor nucleare din regiunea E > E sep se suprapun - spectrul nucleului devine continuu. Principalul mecanism de dezintegrare a stărilor extrem de excitate din acest interval de energie este emisia de nucleoni și clustere (particule α și deuteroni). Emisia de γ-quanta în această regiune de energii mari de excitație E > E resp are loc cu o probabilitate mai mică decât emisia de nucleoni. Un nucleu excitat are, de regulă, mai multe căi sau canale, descompunere.
Energia uriașă de legare a nucleonilor din nucleu indică faptul că există o interacțiune foarte intensă între nucleoni. Această interacțiune este în natura atracției. Menține nucleonii la distanțe cm unul de celălalt, în ciuda puternicei repulsie coulombiană dintre protoni. Interacțiunea nucleară dintre nucleoni se numește interacțiune puternică. Poate fi descris folosind câmpul forțelor nucleare. Să enumerăm trăsăturile distinctive ale acestor forțe.
1. Forțele nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune. Gama lor este de ordinul . La distanțe mult mai mici decât , atracția nucleonilor este înlocuită cu repulsie.
2. Interacțiunea puternică nu depinde de sarcina nucleonilor. Forțele nucleare care acționează între doi protoni, un proton și un neutron și doi neutroni, sunt de aceeași magnitudine. Această proprietate se numește independența de sarcină a forțelor nucleare.
3. Forțele nucleare depind de orientarea reciprocă a spinurilor nucleonilor. Deci, de exemplu, un neutron și un proton sunt ținute împreună, formând un nucleu greu de hidrogen deuteron (sau deuteron) numai în aceea. dacă învârtirile lor sunt paralele între ele.
4. Forțele nucleare nu sunt centrale. Ei nu pot fi reprezentați ca direcționați de-a lungul unei linii drepte care conectează centrele nucleonilor care interacționează. Necentralitatea forțelor nucleare rezultă, în special, din faptul că acestea depind de orientarea spinurilor nucleonilor.
5. Forțele nucleare au proprietatea de saturație (aceasta înseamnă că fiecare nucleon din nucleu interacționează cu un număr limitat de nucleoni). Saturația se manifestă prin faptul că energia specifică de legare a nucleonilor din nucleu nu crește odată cu creșterea numărului de nucleoni, ci rămâne aproximativ constantă. În plus, saturația forțelor nucleare este indicată și de proporționalitatea volumului nucleului cu numărul de nucleoni care îl formează (vezi formula (66.8)).
Conform conceptelor moderne, interacțiunea puternică se datorează faptului că nucleonii fac schimb practic de particule, numite mezoni. Pentru a înțelege esența acestui proces, să luăm în considerare mai întâi cum arată interacțiunea electromagnetică din punctul de vedere al electrodinamicii cuantice.
Interacțiunea dintre particulele încărcate se realizează printr-un câmp electromagnetic. Știm că acest câmp poate fi reprezentat ca o colecție de fotoni.
Conform conceptelor electrodinamicii cuantice, procesul de interacțiune între două particule încărcate, cum ar fi electronii, constă în schimbul de fotoni. Fiecare particulă creează un câmp în jurul ei prin emiterea și absorbția continuă de fotoni. Acțiunea câmpului asupra unei alte particule se manifestă ca urmare a absorbției acestuia a unuia dintre fotonii emiși de prima particulă. O astfel de descriere a interacțiunii nu poate fi luată literal. Fotonii prin care se realizează interacțiunea nu sunt fotoni reali obișnuiți, ci virtuali. În mecanica cuantică, particulele sunt numite virtuale dacă nu pot fi detectate în timpul vieții lor. În acest sens, particulele virtuale pot fi numite imaginare.
Pentru a înțelege mai bine sensul termenului „virtual”, luați în considerare un electron în repaus. Procesul de creare a unui câmp în spațiul înconjurător poate fi reprezentat prin ecuație
Energia totală a unui foton și a unui electron este mai mare decât energia unui electron în repaus. În consecință, transformarea descrisă de ecuația (69.1) este însoțită de o încălcare a legii conservării energiei. Cu toate acestea, pentru un foton virtual, această încălcare este evidentă. Conform mecanicii cuantice, energia unei stări care există timp este determinată doar cu o precizie care satisface relația de incertitudine:
(vezi formula (20.3)). Din această relație rezultă că energia sistemului poate suferi abateri AE, a căror durată nu trebuie să depășească valoarea determinată de condiția (69.2). Prin urmare, dacă un foton virtual emis de un electron este absorbit de același electron sau de un alt electron înainte de expirarea timpului (unde ), atunci încălcarea vaconului de conservare a energiei nu poate fi detectată.
Atunci când unui electron i se dă energie suplimentară (acest lucru se poate întâmpla, de exemplu, când se ciocnește cu un alt electron), se poate emite un foton real în loc de unul virtual, care poate exista la infinit.
Pentru timpul determinat de condiția (69.2), un foton virtual poate transfera interacțiunea între puncte separate de o distanță
Energia fotonului poate fi arbitrar mică (frecvența variază de la 0 la ). Prin urmare, domeniul forțelor magnetice ale electrodului este nelimitat.
Dacă particulele schimbate de electronii care interacționează ar avea o masă diferită de zero, atunci raza de acțiune a forțelor corespunzătoare ar fi limitată de valoarea
unde este lungimea de undă Compton a particulei date (vezi (11.6)). Am presupus că particula - purtătoarea interacțiunii - se mișcă cu o viteză c.
În 1934, I. E. Tamm a sugerat că interacțiunea dintre nucleoni este transmisă și printr-un fel de particule virtuale. În acea perioadă, în afară de nucleoni, se cunoșteau doar fotonul, electronul, pozitronul și neutrino. Cea mai grea dintre aceste particule, electronul, are o lungime de undă comptoniană (vezi (11.7)), care este cu două ordine de mărime mai mare decât raza de acțiune a forțelor nucleare. În plus, mărimea forțelor care ar putea fi datorate electronilor virtuali, așa cum arată calculele, s-a dovedit a fi extrem de mică. Astfel, prima încercare de a explica forțele nucleare cu ajutorul schimbului de particule virtuale s-a dovedit a fi nereușită.
În 1935, fizicianul japonez H. Yukawa a exprimat o ipoteză îndrăzneață că în natură există încă particule nedescoperite cu o masă de 200-300 de ori mai mare decât masa unui electron și că aceste particule acționează ca purtători de interacțiune nucleară, la fel ca fotonii. sunt purtători ai interacțiunii electromagnetice. Yukawa a numit aceste particule ipotetice fotoni grei. Datorită faptului că, din punct de vedere al masei, aceste particule ocupă o poziție intermediară între electroni și nucleoni, au fost numite ulterior mezoni (greacă „mesos” înseamnă mediu),
În 1936, Anderson și Neddermeyer au descoperit în razele cosmice particule cu o masă egală cu . Inițial, s-a crezut că aceste particule, numite mezoni sau muoni, sunt purtătorii interacțiunii prezise de Yukawa. Cu toate acestea, mai târziu s-a dovedit că muonii interacționează foarte slab cu nucleonii, astfel încât aceștia nu pot fi responsabili pentru interacțiunile nucleare. Abia în 1947 Okchialini și Powell au descoperit un alt tip de mezoni în radiația cosmică - așa-numiții -mezoni, sau pioni, care s-au dovedit a fi purtători de forțe nucleare prezise cu 12 ani mai devreme de Yukawa.
Există mezoni pozitivi negativi și neutri. Sarcina u-mezonilor este egală cu sarcina elementară. Masa pionilor încărcați este aceeași și egală cu , masa -mezonului este egală cu .
Spinul atât al mezonilor încărcați, cât și al neutru este egal cu zero. Toate cele trei particule sunt instabile. Durata de viață a și -mesons este , -mesons - .
Marea majoritate a mezonilor încărcați se descompun conform schemei
( - muoni pozitivi și negativi, v - neutrin, - antineutrin). În medie, 2,5 dezintegrari dintr-un milion se desfășoară conform altor scheme (de exemplu, etc., iar în cazul, adică se formează un pozitron, iar în cazul în care, adică se formează un electron).
În medie, -mezonii se descompun în două -cuante:
Degradările rămase sunt efectuate conform schemelor:
Particulele numite -mezoni sau muoni aparțin clasei leptonilor (vezi § 74) și nu a mezonilor. Prin urmare, în cele ce urmează îi vom numi muoni. Muonii au o sarcină pozitivă sau negativă egală cu sarcina elementară (nu există muon neutru). Masa muonului este de spin-jumătate. Muoy, precum -mezonii, sunt instabile, se degradează conform schemei:
Durata de viață a ambilor muoni este aceeași și egală.
Să ne întoarcem la considerarea interacțiunii de schimb între nucleoni. Ca rezultat al proceselor virtuale
Nucleonul se dovedește a fi înconjurat de un nor de -mezoni virtuali, care formează câmpul de forțe nucleare. Absorbția acestor mezoni de către un alt nucleon duce la o interacțiune puternică între nucleoni, care se realizează conform uneia dintre următoarele scheme:
Numărul corespunzător de neutroni practic în repaus se găsește în țintă. Este absolut de necrezut că un număr atât de mare de neutroni și-ar transfera complet impulsul către protonii care se aflau anterior, ca urmare a impacturilor frontale. Prin urmare, trebuie să recunoaștem că o parte din neutronii care zboară lângă protoni captează unul dintre mezonii virtuali. Ca urmare, neutronul se transformă într-un proton, iar protonul care și-a pierdut sarcina se transformă într-un neutron (Fig. 69.2).
Dacă nucleonului i se dă o energie echivalentă cu masa -mezonului, atunci -mezonul virtual poate deveni real. Energia necesară poate fi furnizată prin ciocnirea nucleonilor (sau nucleilor) suficient de accelerați sau prin absorbția unui cuantum de către un nucleon. La energii foarte mari ale plantelor care se ciocnesc, mai multe reale
Nucleul atomic, format dintr-un anumit număr de protoni și neutroni, este o singură entitate datorită forțelor specifice care acționează între nucleonii nucleului și se numesc nuclear. S-a dovedit experimental că forțele nucleare sunt foarte mari, depășind cu mult forțele de repulsie electrostatică dintre protoni. Acest lucru se manifestă prin faptul că energia specifică de legare a nucleonilor din nucleu este mult mai mare decât activitatea forțelor de repulsie Coulomb. Să luăm în considerare principalele caracteristici ale forțelor nucleare.
1. Forțele nucleare sunt forțe de atracție cu rază scurtă de acțiune . Apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul 10–15 m. Lungimea (1,5–2,2) 10–15 m se numește gama de forţe nucleare ele scad rapid odată cu creșterea distanței dintre nucleoni. La o distanță de (2-3) m, interacțiunea nucleară este practic absentă.
2. Forțele nucleare au proprietatea saturare, acestea. fiecare nucleon interacționează doar cu un anumit număr de vecini cei mai apropiați. Acest caracter al forțelor nucleare se manifestă prin constanta aproximativă a energiei specifice de legare a nucleonilor la un număr de sarcină. A>40. Într-adevăr, dacă nu ar exista saturație, atunci energia de legare specifică ar crește odată cu creșterea numărului de nucleoni din nucleu.
3. O caracteristică a forțelor nucleare este și a lor incarca independenta , adică nu depind de sarcina nucleonilor, astfel încât interacțiunile nucleare dintre protoni și neutroni sunt aceleași.Independența de sarcină a forțelor nucleare poate fi văzută dintr-o comparație a energiilor de legare nuclee de oglindă.Cum se numesc nucleele?, în care numărul total de nucleoni este același, noaptea numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, energiile de legare ale nucleelor de heliu și hidrogen greu - tritiu sunt, respectiv, 7,72 MeVși 8,49 MeV Diferența dintre energiile de legare ale acestor nuclee, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie coulombiană a doi protoni din nucleu. Presupunând că această creștere este egală, se poate constata că distanța medie rîntre protoni din nucleu este de 1,9·10 -15 m, ceea ce este în concordanță cu valoarea razei de acțiune a forțelor nucleare.
4. Forțe nucleare nu sunt centrale și depind de orientarea reciprocă a spinurilor nucleonilor care interacționează. Acest lucru este confirmat de caracterul diferit al împrăștierii neutronilor de către moleculele orto- și para-hidrogenului. În molecula de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce în molecula de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor de către parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea de către ortohidrogen.
Natura complexă a forțelor nucleare nu permite dezvoltarea unei singure teorii consistente a interacțiunii nucleare, deși au fost propuse multe abordări diferite. Conform ipotezei fizicianului japonez H. Yukawa (1907-1981), pe care a propus-o în 1935, forțele nucleare se datorează schimbului - mezoni, adică. particule elementare, a căror masă este de aproximativ 7 ori mai mică decât masa nucleonilor. Conform acestui model, un nucleon în timp m- masa mezonului) emite un mezon, care, deplasându-se cu o viteză apropiată de viteza luminii, parcurge o distanţă, după care este absorbit de al doilea nucleon. La rândul său, al doilea nucleon emite și un mezon, care este absorbit de primul. Prin urmare, în modelul lui H. Yukawa, distanța la care interacționează nucleonii este determinată de lungimea căii mezonului, care corespunde unei distanțe de aproximativ mși coincide în ordinea mărimii cu raza de acțiune a forțelor nucleare.
Întrebarea 26. reacții de fisiune. În 1938, oamenii de știință germani O. Hahn (1879-1968) și F. Strassmann (1902-1980) au descoperit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, uneori apar nuclee care au aproximativ jumătate din dimensiunea nucleului original de uraniu. Acest fenomen a fost numit Fisiune nucleara.
Reprezintă prima reacție de transformări nucleare observată experimental. Un exemplu este una dintre posibilele reacții de fisiune nucleară ale uraniului-235:
Procesul de fisiune nucleară decurge foarte rapid (într-un timp de ~10 -12 s). Energia eliberată în timpul unei reacții precum (7.14) este de aproximativ 200 MeV pe act de fisiune a nucleului de uraniu-235.
În cazul general, reacția de fisiune a nucleului de uraniu-235 poate fi scrisă astfel:
Neutroni (7,15)
Mecanismul reacției de fisiune poate fi explicat în cadrul modelului hidrodinamic al nucleului. Conform acestui model, atunci când un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu, acesta intră într-o stare excitată (Fig. 7.2).
Excesul de energie pe care îl primește nucleul ca urmare a absorbției unui neutron determină o mișcare mai intensă a nucleonilor. Ca urmare, nucleul este deformat, ceea ce duce la o slăbire a interacțiunii nucleare cu rază scurtă. Dacă energia de excitație a nucleului este mai mare decât o energie numită energie activatoare , apoi sub influența respingerii electrostatice a protonilor, nucleul se împarte în două părți, odată cu emisia neutroni de fisiune . Dacă energia de excitație la absorbția unui neutron este mai mică decât energia de activare, atunci nucleul nu ajunge
stadiu critic al fisiunii și, după ce a emis un -cuantic, revine la principal
condiție.
O caracteristică importantă a reacției de fisiune nucleară este capacitatea de a implementa pe baza ei o reacție nucleară în lanț autosusținută. . Acest lucru se datorează faptului că mai mult de un neutron este eliberat în medie în timpul fiecărui eveniment de fisiune. Masa, sarcina și energia cinetică a fragmentelor Xși U, formate în cursul unei reacții de fisiune de tipul (7.15) sunt diferite. Aceste fragmente sunt decelerate rapid de mediu, provocând ionizare, încălzire și perturbarea structurii acestuia. Utilizarea energiei cinetice a fragmentelor de fisiune datorită încălzirii lor a mediului stă la baza conversiei energiei nucleare în energie termică. Fragmentele de fisiune nucleară sunt în stare excitată după reacție și trec în starea fundamentală prin emitere β - particule și -cuante.
Reacție nucleară controlată efectuat în reactor nuclear și însoțită de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit în 1942 în SUA (Chicago) sub îndrumarea fizicianului E. Fermi (1901 - 1954). În URSS, primul reactor nuclear a fost creat în 1946 sub conducerea lui IV Kurchatov. Apoi, după ce au câștigat experiență în controlul reacțiilor nucleare, au început să construiască centrale nucleare.
Întrebarea 27. fuziune nucleară numită reacție de fuziune a protonilor și neutronilor sau a nucleelor ușoare individuale, în urma căreia se formează un nucleu mai greu. Cele mai simple reacții de fuziune nucleară sunt:
, AQ = 17,59 MeV; (7,17)
Calculele arată că energia eliberată în procesul reacțiilor de fuziune nucleară pe unitatea de masă depășește semnificativ energia eliberată în reacțiile de fisiune nucleară. În timpul reacției de fisiune a nucleului de uraniu-235 se eliberează aproximativ 200 MeV, adică. 200:235=0,85 MeV per nucleon, iar în timpul reacției de fuziune (7,17) este eliberată o energie de aproximativ 17,5 MeV, adică 3,5 MeV per nucleon (17,5:5=3,5 MeV). În acest fel, procesul de fuziune este de aproximativ 4 ori mai eficient decât procesul de fisiune a uraniului (calculat pentru un nucleon al nucleului care participă la reacția de fisiune).
Rata mare a acestor reacții și eliberarea relativ mare de energie fac ca un amestec cu componente egale de deuteriu și tritiu să fie cel mai promițător pentru rezolvarea problemei. fuziune termonucleară controlată. Speranțele omenirii de a-și rezolva problemele energetice sunt legate de fuziunea termonucleară controlată. Situația este că rezervele de uraniu, ca materie primă pentru centralele nucleare, sunt limitate pe Pământ. Dar deuteriul conținut în apa oceanelor este o sursă aproape inepuizabilă de combustibil nuclear ieftin. Situatia cu tritiul este ceva mai complicata. Tritiul este radioactiv (timp de înjumătățire este de 12,5 ani, reacția de descompunere arată ca:), nu apare în natură. Prin urmare, pentru a asigura munca reactor de fuziune care utilizează tritiu ca combustibil nuclear, ar trebui să se asigure posibilitatea reproducerii acestuia.
În acest scop, zona de lucru a reactorului trebuie să fie înconjurată de un strat de izotop ușor de litiu, în care va avea loc reacția.
Ca rezultat al acestei reacții, se formează izotopul de hidrogen tritiu ().
În viitor, se ia în considerare posibilitatea creării unui reactor termonuclear cu radioactivitate scăzută pe baza unui amestec de izotop de deuteriu și heliu, reacția de fuziune are forma:
MeV.(7.20)
Ca urmare a acestei reacții, din cauza absenței neutronilor în produșii de fuziune, pericolul biologic al reactorului poate fi redus cu patru până la cinci ordine de mărime, atât în comparație cu reactoarele de fisiune nucleară, cât și cu reactoarele termonucleare care funcționează pe deuteriu și combustibil tritiu, nu este nevoie de prelucrarea industrială a materialelor radioactive și transportul acestora, simplifică calitativ eliminarea deșeurilor radioactive. Totuși, perspectivele pentru crearea în viitor a unui reactor termonuclear prietenos cu mediul, bazat pe un amestec de deuteriu () cu un izotop de heliu () sunt complicate de problema materiilor prime: rezervele naturale ale izotopului de heliu de pe Pământ sunt nesemnificative. . Influența om deuteriului în viitorul termonuclearelor ecologice
Pe drumul spre implementarea reacțiilor de fuziune în condiții terestre, problema respingerii electrostatice a nucleelor ușoare apare atunci când aceștia se apropie de distanțe la care încep să acționeze forțele nucleare de atracție, adică. aproximativ 10 -15 m, după care se produce procesul de contopire a acestora din cauza efect de tunel. Pentru a depăși bariera de potențial, nucleelor luminoase care se ciocnesc trebuie să li se acorde o energie de ≈10 keV care corespunde temperaturii T ≈10 8 K si mai sus. Prin urmare, reacțiile termonucleare în condiții naturale apar doar în interiorul stelelor. Pentru implementarea lor în condiții terestre este necesară o încălzire puternică a substanței fie printr-o explozie nucleară, fie printr-o descărcare puternică de gaz, fie printr-un puls gigant de radiație laser, fie printr-un bombardament cu un fascicul intens de particule. Reacțiile termonucleare au fost efectuate până acum doar în explozii de testare a bombelor termonucleare (hidrogen).
Principalele cerințe pe care trebuie să le îndeplinească un reactor termonuclear ca dispozitiv pentru fuziunea termonucleară controlată sunt următoarele.
În primul rând, confinarea fiabilă a plasmei fierbinți (≈10 8 K)în zona de reacție. Ideea fundamentală, care a determinat timp de mulți ani modalitatea de rezolvare a acestei probleme, a fost exprimată la mijlocul secolului XX în URSS, SUA și Marea Britanie aproape simultan. Această idee este utilizarea câmpurilor magnetice pentru reținerea și izolarea termică a plasmei de înaltă temperatură.
În al doilea rând, atunci când funcționează cu combustibil care conține tritiu (care este un izotop al hidrogenului cu radioactivitate ridicată), va avea loc deteriorarea radiațiilor a pereților camerei reactorului de fuziune. Potrivit experților, este puțin probabil ca rezistența mecanică a primului perete al camerei să depășească 5-6 ani. Aceasta înseamnă necesitatea demontării complete periodice a instalației și reasamblarea ulterioară a acesteia cu ajutorul roboților operați de la distanță datorită radioactivității reziduale excepțional de ridicate.
În al treilea rând, principala cerință pe care trebuie să o îndeplinească fuziunea termonucleară este aceea că eliberarea de energie ca urmare a reacțiilor termonucleare va compensa mai mult decât energia cheltuită din surse externe pentru a menține reacția în sine. De mare interes sunt reacțiile termonucleare „pure”,
care nu produc neutroni (vezi (7.20) și reacția de mai jos:
Întrebarea 28 α−, β−, γ− radiatii.
Sub radioactivitate înțelegeți capacitatea unor nuclee atomice instabile de a se transforma spontan în alte nuclee atomice odată cu emisia de radiații radioactive.
radioactivitate naturală numită radioactivitate observată în izotopii instabili naturali.
radioactivitate artificială numită radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare desfășurate pe acceleratoare și reactoare nucleare.
Transformările radioactive au loc odată cu modificarea structurii, compoziției și stării energetice a nucleelor atomilor și sunt însoțite de emisia sau captarea de particule încărcate sau neutre și eliberarea de radiații cu undă scurtă de natură electromagnetică (quanta de radiație gamma). ). Aceste particule și cuante emise sunt numite colectiv radioactiv (sau ionizant ) radiații, iar elementele ale căror nuclei se pot degrada spontan dintr-un motiv sau altul (natural sau artificial) sunt numite radioactive sau radionuclizi . Cauzele dezintegrarii radioactive sunt dezechilibrele dintre forțele de atracție nucleare (cu rază scurtă) și forțele de respingere electromagnetice (cu rază lungă) ale protonilor încărcați pozitiv.
radiatii ionizante– un flux de particule încărcate sau neutre și cuante de radiație electromagnetică, a căror trecere printr-o substanță duce la ionizarea și excitarea atomilor sau moleculelor mediului. Prin natura sa, este împărțit în fotoni (radiații gamma, bremsstrahlung, radiații cu raze X) și corpuscular (radiații alfa, electroni, protoni, neutroni, mezon).
Din cei 2500 de nuclizi cunoscuți în prezent, sunt stabili doar 271. Restul (90%!) Sunt instabili; radioactiv; printr-una sau mai multe dezintegrari succesive, insotite de emisia de particule sau γ-quanta, se transforma in nuclizi stabili.
Studiul compoziției radiațiilor radioactive a făcut posibilă împărțirea acesteia în trei componente diferite: α-radiatie este un flux de particule încărcate pozitiv - nuclee de heliu (), radiația β este fluxul de electroni sau pozitroni, radiații γ – fluxul de radiații electromagnetice de unde scurte.
De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de raze gamma - radiații electromagnetice dure, cu undă scurtă. Razele gamma sunt principala formă de reducere a energiei produșilor excitați ai transformărilor radioactive. Un nucleu care suferă dezintegrare radioactivă se numește maternă; în curs de dezvoltare copil nucleul, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția lui la starea fundamentală este însoțită de emisia unui cuantum.
Legile de conservare.În timpul dezintegrarii radioactive, următorii parametri sunt păstrați:
1. Încărca . Sarcina electrică nu poate fi creată sau distrusă. Sarcina totală înainte și după reacție trebuie conservată, deși poate fi distribuită diferit între diferite nuclee și particule.
2. Numar de masa sau numărul de nucleoni după reacție trebuie să fie egal cu numărul de nucleoni dinaintea reacției.
3. Energie totală . Energia coulombiană și energia maselor echivalente trebuie conservate în toate reacțiile și descompunerea.
4.moment și moment unghiular . Conservarea impulsului liniar este responsabilă pentru distribuția energiei Coulomb între nuclee, particule și/sau radiații electromagnetice. Momentul unghiular se referă la spinul particulelor.
α-degradare numită emisie dintr-un nucleu atomic α− particule. La α− dezintegrare, ca întotdeauna, legea conservării energiei trebuie îndeplinită. În același timp, orice modificare a energiei sistemului corespunde modificărilor proporționale ale masei acestuia. Prin urmare, în timpul dezintegrarii radioactive, masa nucleului părinte trebuie să depășească masa produselor de dezintegrare cu o cantitate corespunzătoare energiei cinetice a sistemului după dezintegrare (dacă nucleul părinte era în repaus înainte de dezintegrare). Astfel, în cazul α− dezintegrarea trebuie să satisfacă condiția
unde este masa nucleului părinte cu un număr de masă Ași numărul de serie Z, 
este masa nucleului fiică și este masa α−
particule. Fiecare dintre aceste mase, la rândul său, poate fi reprezentată ca suma numărului de masă și a defectului de masă:
Înlocuind aceste expresii pentru masele în inegalitatea (8.2), obținem următoarea condiție pentru α− dezintegrare:, (8.3)
acestea. diferența dintre defectele de masă ale nucleelor părinte și fiice trebuie să fie mai mare decât defectul de masă α− particule. Astfel, la α− dezintegrare, numerele de masă ale nucleelor părinte și fiice trebuie să difere între ele cu patru. Dacă diferența de numere de masă este egală cu patru, atunci la , defectele de masă ale izotopilor naturali scad întotdeauna odată cu creșterea A. Astfel, pentru , inegalitatea (8.3) nu este satisfăcută, deoarece defectul de masă al nucleului mai greu, care ar trebui să fie nucleul mamă, este mai mic decât defectul de masă al nucleului mai ușor. Prin urmare, când α− fisiunea nucleară nu are loc. Același lucru este valabil și pentru majoritatea izotopilor artificiali. Excepțiile sunt câțiva izotopi artificiali ușori, pentru care salturile în energia de legare și, prin urmare, în defectele de masă, sunt deosebit de mari în comparație cu izotopii vecini (de exemplu, izotopul beriliului, care se descompune în două). α− particule).
Energie α− particulele produse în timpul dezintegrarii nucleelor se află într-un interval relativ îngust de la 2 la 11 MeV. În acest caz, există o tendință ca timpul de înjumătățire să scadă odată cu creșterea energiei α− particule. Această tendință se manifestă mai ales în transformări radioactive succesive în cadrul aceleiași familii radioactive (legea Geiger-Nattall). De exemplu, energie α− particule în timpul dezintegrarii uraniului (T \u003d 7.1. 10 8 ani) este 4,58 mev, cu dezintegrarea protactiniului (T \u003d 3.4. 10 4 ani) - 5,04 Mevy în timpul dezintegrarii poloniului (T \u003d 1,83. 10 -3 Cu)- 7,36mev.
În general, nucleele aceluiași izotop pot emite α− particule cu mai multe valori energetice strict definite (în exemplul anterior, este indicată cea mai mare energie). Cu alte cuvinte, α− particulele au un spectru energetic discret. Acest lucru este explicat după cum urmează. Nucleul de dezintegrare rezultat, conform legilor mecanicii cuantice, poate fi în mai multe stări diferite, în fiecare dintre ele având o anumită energie. Starea cu cea mai mică energie posibilă este stabilă și se numește principal . Restul statelor sunt numite excitat . Nucleul poate rămâne în ele pentru un timp foarte scurt (10 -8 - 10 -12 sec), apoi intră într-o stare cu o energie mai mică (nu neapărat imediat în cea principală) cu emisie γ− cuantic.
În curs α− Există două etape de dezintegrare: formarea α− particule din nucleonii nucleului și emisie α− particule de miez.
Dezintegrarea beta (radiații). Conceptul de dezintegrare combină trei tipuri de transformări intranucleare spontane: electronice - dezintegrare, pozitroni - dezintegrare și captarea electronilor ( E- captură).
Există mult mai mulți izotopi beta-radioactivi decât alfa-activi. Sunt prezente în întreaga regiune de variație a numărului de masă al nucleelor (de la nuclee ușoare până la cele mai grele).
Dezintegrarea beta a nucleelor atomice se datorează interacțiune slabă particulele elementare și, ca și degradarea, se supune anumitor legi. În timpul dezintegrarii, unul dintre neutronii nucleului se transformă într-un proton, în timp ce emite un electron și un electron antineutrin. Acest proces are loc după schema: . (8,8)
În timpul dezintegrarii, unul dintre protonii nucleului este transformat într-un neutron cu emisia unui pozitron și a unui neutrin electronic:
Un neutron liber care nu face parte din nucleu se descompune spontan conform reacției (8.8) cu un timp de înjumătățire de aproximativ 12 minute.Acest lucru este posibil deoarece masa neutronului a.m.u. mai mare decât masa protonilor a.m.u. cu valoarea a.m.u., care depășește masa electronilor în repaus a.m.u. (masa în repaus a neutrinului este zero). Dezintegrarea unui proton liber este interzisă de legea conservării energiei, deoarece suma maselor de repaus ale particulelor rezultate - neutronul și pozitronul - este mai mare decât masa protonului. Dezintegrarea (8.9) a unui proton, prin urmare, este posibilă numai în nucleu, dacă masa nucleului fiu este mai mică decât masa nucleului părinte cu o valoare care depășește masa în repaus a pozitronului (masele de repaus ale pozitronul și electronul sunt egali). Pe de altă parte, o condiție similară trebuie îndeplinită și în cazul dezintegrarii unui neutron care face parte din nucleu.
Pe lângă procesul care are loc conform reacției (8.9), transformarea unui proton într-un neutron poate avea loc și prin captarea unui electron de către un proton cu emisia simultană a unui neutrin electronic.
La fel ca procesul (8.9), procesul (8.10) nu are loc cu un proton liber. Cu toate acestea, dacă protonul se află în interiorul nucleului, atunci poate capta unul dintre electronii orbitali ai atomului său, cu condiția ca suma maselor nucleului părinte și a electronului să fie mai mare decât masa nucleului fiu. Însăși posibilitatea unei întâlniri a protonilor în interiorul nucleului cu electronii orbitali ai unui atom se datorează faptului că, conform mecanicii cuantice, mișcarea electronilor într-un atom nu are loc de-a lungul orbitelor strict definite, așa cum este acceptat de Bohr. teorie, dar există o anumită probabilitate de a întâlni un electron în orice regiune a spațiului din interiorul atomului, în special, și în regiunea ocupată de nucleu.
Transformarea unui nucleu cauzată de captarea unui electron orbital se numește E- captură. Cel mai adesea, are loc captarea unui electron aparținând învelișului K cel mai apropiat de nucleu (captura K). Captarea unui electron care face parte din următoarea L-shell (L-capture) are loc de aproximativ 100 de ori mai puțin frecvent.
Radiația gamma. Radiația gamma este radiație electromagnetică cu lungime de undă scurtă, care are o lungime de undă extrem de scurtă și, ca urmare, proprietăți corpusculare pronunțate, adică. este un flux de quante cu energie ( ν − frecvența radiației), impuls și spin J(în unități ħ ).
Radiația gamma însoțește degradarea nucleelor, apare în timpul anihilării particulelor și antiparticulelor, în timpul decelerării particulelor încărcate rapid în mediu, în timpul dezintegrarii mezonilor, este prezentă în radiația cosmică, în reacțiile nucleare etc. intermediare, mai puțin excitate state. Prin urmare, radiația aceluiași izotop radioactiv poate conține mai multe tipuri de cuante, care diferă unele de altele ca valori energetice. Durata de viață a stărilor excitate ale nucleelor crește de obicei brusc pe măsură ce energia lor scade și pe măsură ce diferența dintre spinurile nucleului în stările inițiale și finale crește.
Emisia unui cuantum are loc și în timpul tranziției radiative a nucleului atomic dintr-o stare excitată cu energie. Eiîn pământ sau în stare mai puțin excitată cu energie E k (Ei >Ek). Conform legii conservării energiei (până la energia de recul a nucleului), energia cuantică este determinată de expresia: . (8,11)
În timpul radiației, sunt îndeplinite și legile conservării momentului și a momentului unghiular.
Datorită caracterului discret al nivelurilor de energie ale nucleului, radiația are un spectru de linii de energie și frecvențe. De fapt, spectrul energetic al nucleului este împărțit în regiuni discrete și continue. În regiunea spectrului discret, distanțele dintre nivelurile de energie ale nucleului sunt mult mai mari decât lățimea energiei G nivel determinat de durata de viață a nucleului în această stare:
Timpul determină rata de dezintegrare a unui nucleu excitat:
unde este numărul de nuclee la momentul inițial (); numărul de nuclee nedegradate la un moment dat t.
Întrebarea 29. Legile deplasării. Atunci când emite o particulă, nucleul pierde doi protoni și doi neutroni. Prin urmare, în nucleul rezultat (fiică), în comparație cu nucleul inițial (părinte), numărul de masă este cu patru mai mic, iar numărul de serie este cu două mai puțin.
Astfel, în timpul dezintegrarii, se obține un element, care în tabelul periodic ocupă un loc două celule la stânga față de cel original: (8,14)
În timpul dezintegrarii, unul dintre neutronii nucleului se transformă într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin (-dezintegrare). Ca urmare a dezintegrarii, numărul de nucleoni din nucleu rămâne neschimbat. Prin urmare, numărul de masă nu se modifică, cu alte cuvinte, există o transformare a unei izobare în alta. Cu toate acestea, sarcina nucleului fiică și numărul său ordinal se modifică. În timpul dezintegrarii, când un neutron se transformă într-un proton, numărul de serie crește cu unu, adică. în acest caz, apare un element care este deplasat în tabelul periodic în comparație cu celulă originală una câte una la dreapta:
În timpul dezintegrarii, când un proton se transformă într-un neutron, numărul de serie scade cu unu, iar elementul nou obținut este mutat în tabelul periodic cu o celulă la stânga:
În expresiile (8.14) − (8.16) X- simbolul nucleului mamă, Y este simbolul nucleului fiică, este nucleul de heliu; A= 0 și Z= –1 și un pozitron, pentru care A= 0 și Z=+1.
Se formează nuclee radioactive în mod natural trei familii radioactive numit familia uraniului (), familia thorium ()și familia actiniei (). Ei și-au primit numele pentru izotopii cu viață lungă cu cele mai lungi perioade de înjumătățire. Toate familiile după lanțul de dezintegrare α și β se termină la nuclee stabile de izotopi de plumb - și. Familia neptuniului, pornind de la elementul transuraniu neptunium, a fost obținută artificial și se termină cu izotopul bismutului.
