Ядерные реакции - раздел Политика, НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Ядерными Называются Реакции Взаимодействия Ядер Между Собой И С Элементарн...
Ядерными называются реакции взаимодействия ядер между собой и с элементарными частицами. Например:
14N7 + 4Не2 ® 17О8 + 1Н1
Указанная реакция была осуществлена еще в 1919 г. Резерфордом. Он бомбардировал азот a-частицами и регистрировал поток протонов. В данной реакции ядра атома гелия (a-частицы) сливаются с ядрами атома азота с образованием неустойчивого ядра атома фтора 18F9, который затем распадается на кислород с выделением протона.
Одна из главных трудностей осуществления бомбардировки мишеней состояла в том, чтобы заставить a-частицы подойти к ядру на расстояние порядка 10-15м и преодолеть электростатическое отталкивание одноименно заряженных ядер. Эта проблема была решена созданием ускорителей таких частиц. Одним из наиболее интересных применений мощных ускорителей тяжелых ядер атомов явилось получение новых трансурановых элементов, например:
238U92 + 2H1 ® 238Np93 + 2 1n0
нептуний
238U92 + 4He2 ® 239Pu94 + 3 1n0
плутоний
Благодаря ускорителям удалось осуществить ядерные реакции и синтезировать почти два десятка химических элементов. В конце декабря 1998 г. в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна, Россия) был синтезирован элемент №114. В последнем случае мишенью служил плутоний 244Pu94, который подвергали бомбардировкам ядрами атома кальция 48Са20:
244Pu94 + 48Са20: ® 289Х114 + 3 1n0
Время жизни ядра 114-го химического элемента 30 сек.
Появилось сообщение о реакции между ядрами атомов свинца 208Pb82 и криптона 86Kr36 и обнаружении трех атомов элемента №118, время жизни которых составляло всего 100-200 миллисекунд.
Впервые в 1932 г. советским физиком Д.Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергом было высказано предположение о том, что ядра состоят из протонов р и нейтронов n. Количество нуклонов в ядре (лат. nucleus-ядро; общее название протона и нейтрона) определяет массовое число А. Массовое число А= Z + N, где Z–число протонов, определяющее заряд ядра, N–число нейтронов. Протонно-нейтронная система сохраняется в качестве основы для построения различных моделей ядра. Каждая из моделей имеет целью описание совокупности определенных свойств и характеристик атомного ядра. Ядро атома водорода состоит только из одного протона. Ядра атомов других элементов включают протоны и нейтроны.
Американский физик Дж. Уилер разработал в 1939 г. теорию деления атомных ядер и доказал, что при бомбардировке тяжелых ядер изотопа урана 235U92 тепловыми нейтронами они должны делиться. Теоретические расчеты подтвердились практическими исследованиями ядерных превращений. Впервые в лабораторных условиях реакция была осуществлена в 1939 г. итальянским физиком Э. Ферми (1901-1954). Позже, бежав из фашистской Италии, Э. Ферми с сотрудниками в 1942 г. построил в США первый ядерный реактор и осуществил самоподдерживающуюся цепную реакцию деления урана. В основе процесса лежит превращение тяжелых ядер в ядра меньшего размера и массы (рис.18). Известна ядерная цепная реакция деления урана и некоторых трансурановых элементов, например плутония 239Pu94, под действием нейтронов.
При расщеплении тяжелого ядра урана образуется два более легких ядра. Их масса становится меньше массы исходного ядра примерно на 0,1%. Куда же девается масса в результате ядерного деления? Масса превращается в энергию движения продуктов деления и в лучистую энергию, количество которой эквивалентно исчезнувшей массе в соответствии с законом сохранения массы-энергии:DE=Dm×с2.
нейтрон
ядро 235U92
ядра меньшей массы и нейтроны
Рис. 18. Реакция деления ядра урана при соударении с нейтроном
В 1 г любого вещества содержится энергия, равная m×c2 = 9×1013 Дж. Деление 1 г урана сопровождается уменьшением массы на 0,001 г, что соответствует выделению энергии в количестве ~ 9×1010 Дж. Это почти в 3 миллиона раз превышает энергию, выделяемую при сжигании 1 г угля. Например:
235U92 + 1n0139Ba56 + 94Kr36 + 31n0; DE
Не только деление тяжелых ядер, но и соединение легких ядер сопровождается уменьшением массы вещества и выделением эквивалентного количества энергии. Суммарный результат «выгорания» водорода на Солнце сводится к превращению:
4 1Н14Не2 + 2е+ + 2n + 2g
протон гелий позитрон нейтрино фотон
Указанное превращение можно представить в виде схемы (рис. 19).
Рис.19. Модель протонно-протонного цикла: образование ядра атома гелия
Реакции синтеза из легких более тяжелых ядер называются термоядерными реакциями. На Солнце в его центральной части температура достигает таких значений (~14 млн. К), которые позволяют преодолеть электростатическое отталкивание между одноименно заряженными протонами и превратить их в ядра атомов гелия. В термоядерном синтезе энергии выделяется примерно в пять раз больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. В случае деления ядер и в термоядерном синтезе вступает в действие закон сохранения массы-энергии, выражаемый уравнением Эйнштейна Е=mc2: в любой ядерной реакции сумма энергии и произведение массы на величину с2 для всех реагирующих частиц и окружения не изменяются в процессе реакции. Количество выделившейся энергии DE эквивалентно исчезнувшей массе Dm, т.е. DE=Dm×с2.
Почему при делении и синтезе ядер выделяется энергия? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к экспериментальной кривой, выражающей зависимость удельной энергии связи (энергии связи, приходящейся на один нуклон) от массового числа А (рис.20).
0 50 100 150 200 250 А
0
.2H1
-2
Самопроизвольный термоядерный синтез
Самопроизвольный процесс деления ядер
-4
-6 235U92
4He2
-8
DE/A,
МэВ
56Fe26
Рис.20. Экспериментальная зависимость удельной энергии связи (DE/A)
от массового числа
Пусть первоначально имеются свободные протоны и нейтроны (нуклоны). При сближении нуклонов на расстояние порядка 10-15м нуклоны испытывают сильное притяжение своих соседей, их энергия связи соответственно возрастет. Проявляется ядерное, сильное взаимодействие, которое превосходит по своей величине электромагнитное отталкивание одноименных зарядов. Связывание нуклонов сопровождается выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при образовании ядра из свободных нуклонов, приходящаяся на один нуклон, есть удельная энергия связи DE/A.
В ядерной физике широко применяют количественную оценку энергии в электронвольтах (1эВ = 1,6×10-19 Дж).
Наибольшее количество энергии в расчете на один нуклон выделяется при образовании ядер с массовыми числами 50-80. Этот факт означает, что для ядер таких элементов, как 56Fe26 и ряда других элементов, силы взаимодействия между нуклонами наибольшие. Такие ядра обладают наименьшей энергией и наибольшей устойчивостью.
В самопроизвольном соединении ядер атомов водорода (протонов) в ядра атомов гелия, как уже отмечалось выше, требуется внешнее воздействие, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание протонов при их сближении. Система индивидуальных протонов «скатывается» в более устойчивое состояние–ядра атомов гелия или еще более стабильные системы-ядра химических элементов, например, углерода, азота, кислорода, железа. В самопроизвольном делении тяжелых ядер «спусковым крючком» выступают нейтроны, которые приводят к цепной реакции деления и переходу менее устойчивой системы, например 235U92, в более устойчивую систему-стабильные ядра-меньшей массы (Ba, Kr и др.).
Мечта алхимиков средневековья о превращении одних металлов в другие и, в частности, в золото сбылась самым удивительным образом, но не так, как они мечтали. Самый талантливый и прославленный арабский алхимик Джабир ибн Хайян (721-815), известный в Европе под именем Гебер, изучал возможность трансмутации (превращения) металлов [1, с. 21]. Джабир считал, что ртуть является особым металлом. Она вместе с серой образует все остальные металлы (к тому времени их было известно семь), «созревающие» в недрах земли. Труднее всего образуется золото–наиболее совершенный металл. Поэтому, чтобы получить золото, необходимо найти вещество, ускоряющее «созревание» золота. В Европе это вещество получило название философского камня.
Открытие в 1896 г. французским физиком А.А. Беккерелем (1852-1908) явления радиоактивности стало первым шагом к постижению тайны строения атома и атомного ядра. То, что впервые наблюдал А. Беккерель, на языке современной ядерной физики было превращением одного химического элемента в другие:
238U92234Th90 + 4He2
Это была настоящая трансмутация, о которой мечтали алхимики.
Фундаментальные открытия в области радиоактивности сделал Э. Резерфорд. В 1899 г. он обнаружил a- и b-лучи, испускаемые при радиоактивном распаде элементов, и ввел понятие периода полураспада. В 1902-1903 гг. Э. Резерфорд вместе с английским физиком и химиком Ф. Содди (1877-1956) разработали теорию радиоактивности и установили закон радиоактивных превращений элементов. За исследования, связанные с превращением одних химических элементов в другие, Э. Резерфорду в 1908 г. была присуждена Нобелевская премия по химии, а в 1921 г. Нобелевским лауреатом по химии стал Ф. Содди. Им принадлежит заслуга в разрушении взглядов неделимости атомов.
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Ядерные реакции
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
ЧЕЛОВЕК-МЕРА ВСЕХ ВЕЩЕЙ
В повседневной жизни мы привыкли соразмерять объекты и явления с доступными нашему воображению величинами. Обоняние, осязание, вкус, слух, зрение-вот те инструменты, с помощью которых человек пости
Масштабы времени и пространства
Ничтожно малые или, наоборот, гигантские размеры объектов, а также ничтожно малые или гигантские интервалы времени присущи различным частям Вселенной (рис. 2). Но их можно дать в одном масштабе изм
Две грани культуры
Деление культуры на естественную и гуманитарную грани обусловлено особенностями мышления и исторической эволюцией культуры. Левое и правое полушария головного мозга действуют согласованно, но выпол
Вопросы для проверки знаний
1. Как вы считаете, необходима ли ранняя специализация при обучении детей в школах и лицеях гуманитарного или естественного профиля?
2. Известны ли вам выдающиеся деятели, которые проявили
Наука и нравственность. Воспитание и образование
Образование-это процесс формирования системы знаний, умений и навыков. Система знаний, умений и навыков передается от поколения к поколению в виде тех духовных богатств, которые накоп
Вопросы для проверки знаний
1. Ответственна ли наука за те бедствия, которые принесли научные открытия, использованные для создания химического, бактериологического, атомного оружия?
2. Что следует понимать под истин
Наука. Религия. Искусство
Русский религиозный философ Н.А. Бердяев (1874-1948) отмечал: «Научное знание–это такое знание, для достижения которого человек использует материал опыта и законы логики. Каждый новый элемент знани
Баллада примет
Я знаю, кто по-щегольски одет,
Я знаю, весел кто и кто не в духе,
Я знаю тьму кромешную и свет,
Я знаю – у монаха крест на брюхе,
Я знаю, как трезвонят завирухи,
МИР СИСТЕМ
Наш мир–это мир систем. Все объекты материального мира существуют в виде систем разной степени сложности. Мы говорим: стереосистема, солнечная система, нервная система, отопительная система, систем
Иерархия систем. Принцип иерархичности
Понятие «иерархия» означает, что части или элементы целого располагаются в порядке от низшего к высшему элементу (рис.4).
Человека
Деятельность–это физические и умственные операции, направленные на достижение результата. Результат всегда системен. Он представляет собой систему знаний, проектную и техническую документаци
Вопросы для проверки знаний
1. Что подразумевают под проблемной ситуацией?
2. Что называют целью?
3. Чем отличается алгоритм практической деятельности от алгоритма в математике?
4. Что называют прак
Принципы системности
Системность–всеобщее свойство материи. Осознание системности мира и модельности мышления шло постепенно. Системность всегда была методом науки. Системный взгляд на мир включает в себя систему понят
Вопросы для проверки знаний
1. В чем суть принципа иерархичности?
2. Почему свойства целого не сводятся к сумме свойств его частей?
3. Справедливо ли утверждение о том, что структуру имеет любая система?
Модели и моделирование
Модель-есть способ существования знаний. Другими словами, все наши знания существуют в виде моделей. Моделью называется объект-заменитель объекта-оригинала, который сохраняет некоторые свойства
М О М О М О
Рис.9. Прагматическая модель-средство управления и организации практических действий, образец, эталон
Основное различие между познавательной
Вопросы для проверки знаний
1. Какие объекты называются моделями?
2. Какие модели называются прагматическими?
3. Какие модели называются познавательными?
4. В чем различие между прагматическими и по
Методы науки
Метод–это путь исследования или совокупность приемов, действий, позволяющих решить поставленную задачу. Первый шаг к познанию окружающего мира начинается с наблюдений, с установления фактов.
Вопросы для проверки знаний
1. Что называют методом в науке?
2. Чем отличается факт или наблюдение от научного факта?
3. Почему требуется проверка наблюдений?
4. Что называют гипотезой?
5.
МИР МИКРОСИСТЕМ
«Кирпичиками» мироздания выступают элементарные частицы. Они называются так потому, что их строение не установлено, хотя состав некоторых из них уже известен. Несколько сот открытых
Элементарные частицы. Вещество и поле
В классификации элементарных частиц прослеживается некоторая иерархичность. Вещество-вид материи, состоящей из кварков и лептонов. В основном вещество построено из электронов и нуклонов (протоно
Т а б л и ц а 1
Фундаментальные частицы вещества
Поколения
Классы
Вопросы для проверки знаний
1. Что такое материя?
2. В чем различие форм материи?
3. Какие частицы называют фундаментальными?
4. Из каких э
Атомный уровень организации вещества
Атом–это микросистема, состоящая из ядра и электронов, движущихся в поле ядра. Размер любого атома имеет порядок 10-10 м, а размеры ядра 10-
Вопросы для проверки знаний
1. Почему атом называют микросистемой?
2. Можно ли утверждать, что электромагнитное поле-это поток энергии, не обладающий массой?
3. Справедливо ли утверждение, что не только тела
Молекулярный уровень организации вещества
Атомы, за исключением благородных газов, не существуют в свободном состоянии при стандартных условиях. За стандартные условия принимается атмосферное давление, равное 1,013×105 Па,
МИР МАКРОСИСТЕМ
Макросистемы-это твердые, жидкие, газообразные вещества, состоящие из множества взаимосвязанных атомов, молекул или ионов. Газ при высоких температурах переходит в ион
Вопросы для проверки знаний
1. Какие четыре состояния вещества называют макросистемами?
2. Назовите типы кристаллических решеток, классифицированные по типу химической связи или межмолекулярному взаимодействию.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
Превращение вещества происходит на любом уровне его организации. Превращаются элементарные частицы, атомы, молекулы и, соответственно, изменяются состав структура, энергетическое состояние твердого
Химические реакции
Ядерные превращения вещества связаны с сильным взаимодействием элементарных частиц и ядер на расстояниях, соизмеримых с размерами атомных ядер, т.е. на расстояниях 10-15
Метаболизм
В живых организмах происходят процессы превращения вещества. Их поддерживает поток солнечной энергии. Растения, животные, микробы участвуют в непрерывном движении вещества и энергии. Подобно потоку
Вопросы для проверки знаний
1. Какой процесс называют метаболическим?
2. Чем отличается катаболизм от анаболизма?
3. Чем отличаются продуценты от консументов?
4. Чем отличается фотосинтез от клеточн
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Энергияесть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия. В общем случае полная энергия системы включает кинетическую энергию движения системы, пот
Вопросы для проверки знаний
1. Что подразумевают под понятием «энергия»?
2. В чем различие полной энергии от кинетической, потенциальной и внутренней энергии системы?
3. Почему теплоту и работу называют форм
Живые системы
Количество свойств любой системы не имеет ограничений. Система обладает столькими свойствами, сколько обнаружено разных отношений ее с окружающей средой. Общность перечисленных выше свойств, присущ
Вопросы для проверки знаний
1. Что называют жизнью?
2. Что такое информация?
3. Включают ли метаболические процессы обмен веществом, энергией и информацией?
4. Являются ли носителем информации: а) в
Происхождение жизни
Научные концепции опираются на материальное происхождение жизни естественным путем на основе общих законов природы. В 1924 г. была опубликована книга русского биохимика А.И. Опарина (1894-1980) «Пр
Эволюция биосферы
Биосфера представляет собой живые системы (растения, животные, микробы), расположенные в части атмосферы, во всей гидросфере и поверхностном слое литосферы и существующие за счет потока солнечно
Современные взгляды на эволюцию живых систем
Основные факторы процесса эволюции, признаваемые наукой,–это положения, выдвинутые Дарвиным: изменчивость, наследственность и естественный отбор. Однако эти факторы сегодня понимаются по-нов
ВСЕЛЕННАЯ
Великий немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) писал о космосе и Вселенной в 1775 г.: «Мироздание с его неизменным величием, с его сияющими отовсюду бесконечными разнообразием и красотою привод
Пространство и время
Среди важнейших научных открытий двадцатого столетия достойное место занимает открытие расширяющейся Вселенной. Естествознанию пришлось расстаться с одним из основополагающих принципов, утверждавши
Экспериментальные доказательства расширяющейся Вселенной
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) использовал эффект Доплера для доказательства расширяющейся Вселенной. Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний n или длины волны l
Судьба Вселенной
По известной средней плотности вещества Вселенной можно предсказать ее судьбу. Однако определить точно плотность Вселенной не удается. Пока известны лишь сценарии изменения состояния Вселенной при
Эволюция Вселенной
До сих пор остается открытым вопрос о том, что существовало до начала расширения Вселенной. В последнее десятилетие ХХ века развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически р
Рождение и гибель звезд
Еще в 1920 г., задолго до создания ядерной физики английский, астрофизик Артур Эддингтон указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звезд. Обсуждая проблему ис
Т а б л и ц а 2
Фазы эволюции протозвезды
Характеристика
Фаза 1-
формирование
Фаза
Вопросы для проверки знаний
1. Как рождаются звезды по модели Джинса?
2. Что такое протозвезда и какие фазы в своем развитии
она проходит?
3. Что такое молекулярные облака?
4. Как умирают з
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА В ГАЛАКТИКЕ
Солнечная система входит в состав Млечного Пути, или нашей Галактики (греч. galaktikos-млечный, молочный) – звездной системы, состоящей из сотен миллиардов звезд. С Земли это грандиозное скопление
Т а б л и ц а 3
Спектр электромагнитного излучения Солнца
Область
спектра
Длины волн
Прохож
Вопросы для проверки знаний
1. Что такое Млечный Путь и какое место занимает в нем Солнце?
2. Что входит в состав солнечной системы? Назовите планеты солнечной системы.
3. Что известно о внутреннем строении
Планета Земля в солнечной системе
Солнечная система–это связанные силами взаимного притяжения небесные тела с центральным телом–Солнцем. Кроме 9 больших планет с их
спутниками (известно больше 60) и более 5 тыс. малых план
Биосфера. Ноосфера
«Вся совокупность живых существ на поверхности нашей планеты образует как бы своего рода тонкую оболочку или покров. Этот слой живых существ – растений и животных, - находящийся в районе поверхност
Вопросы для проверки знаний
1. Дайте определение биосферы и поясните его.
2. Каковы особенности биосферы?
3. С чем связаны 11-летние циклы напряжения человеческой деятельности?Сформулируйте один из основных
Стратегия устойчивого развития
Озабоченность судьбами мира заставила итальянского экономиста, специалиста в области управления промышленностью А. Печчеи организовать в 1968 г встречу ученых разных специальностей из разных стран
ФИЗИЧЕСКИЕ КАРТИНЫ МИРА
Физика является наукой о наиболее общих свойствах материи, наукой о природе. Так на греческом языке звучит слово природа-physike < physis. Изучение природы началось с момента появления мыслящего
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
235U92 + 1n0 139Ba56 + 94Kr36 + 31n0; DE
4 1Н1 4Не2 + 2е+ + 2n + 2g
0 50 100 150 200 250 А
0
2H1
-2
-6 235U92
-8
МэВ
238U92 234Th90 + 4He2
Новости и инфо для студентов