MINISTARSTVO OBRAZOVANJA RUJSKE FEDERACIJE
BLAGOVESCHENSKY STATE
PEDAGOŠKI UNIVERZITET
Katedra za opštu fiziku
Energija veze i defekt mase
kursni rad
Završio: student 3. godine FMF-a, grupa "E", Potkopao A.N.
Provjerio: vanredni profesor Karatsuba L.P.
Blagoveshchensk 2000
Sadržaj
§jedan. Defekt mase - karakteristika
atomsko jezgro, energija vezivanja ........................................ ............... 3
§ 2 Masene spektroskopske metode
mjerenja mase i oprema ................................................................ ................................ 7
§ 3 . Poluempirijske formule za
proračun masa jezgara i energija vezivanja jezgara ................................. 12
klauzula 3.1. Stare poluempirijske formule.................................. 12
klauzula 3.2. Nove poluempirijske formule
uzimajući u obzir uticaj školjki ................................................. ... ..... 16
Književnost ................................................................ ................................................. . 24
§jedan. Defekt mase je karakteristika atomskog jezgra, energija vezivanja.
Problem necjelobrojne atomske težine izotopa dugo je brinuo naučnike, ali teorija relativnosti, koja je uspostavila vezu između mase i energije tijela ( E=mc 2), dao je ključ za rješavanje ovog problema, a ispostavilo se da je protonsko-neutronski model atomskog jezgra brava na koju se ovaj ključ uklapa. Za rješavanje ovog problema bit će potrebne neke informacije o masama elementarnih čestica i atomskih jezgara (Tabela 1.1).
Tabela 1.1
Masa i atomska težina nekih čestica
(Mase nuklida i njihove razlike određuju se empirijski koristeći: spektroskopska mjerenja mase; mjerenja energija raznih nuklearnih reakcija; mjerenja energija β- i α-raspada; mikrovalna mjerenja, dajući omjer masa ili njihove razlike. )
Uporedimo masu a-čestice, tj. jezgro helijuma, sa masom od dva protona i dva neutrona, od kojih se sastoji. Da bismo to učinili, od zbira udvostručene mase protona i udvostručene mase neutrona oduzimamo masu a-čestice i nazivamo vrijednost koja se dobije na ovaj način defekt mase
D m=2M p +2M n -M a =0,03037 a.u.m (1.1)
Jedinica atomske mase
m a.u.m = ( 1,6597 ± 0,0004 ) ´ 10 -27 kg. (1.2)
Koristeći formulu odnosa između mase i energije koju čini teorija relativnosti, može se odrediti količina energije koja odgovara ovoj masi i izraziti je u džulima ili, što je još pogodnije, u megaelektronvoltima ( 1 MeV=10 6 eV). 1 MeV odgovara energiji koju je stekao elektron koji prolazi kroz potencijalnu razliku od milion volti.
Energija koja odgovara jednoj jedinici atomske mase je
E=m a.u.m × c 2 = 1,6597 × 10 -27 × 8,99 × 10 16 =1,49 × 10 -10 J = 931 MeV. (1.3)
Atom helija ima defekt mase ( D m = 0,03037 amu) znači da je energija emitovana tokom njegovog formiranja ( E= D ms 2 = 0,03037 × 931=28 MeV). To je ta energija koja se mora primijeniti na jezgro atoma helijuma kako bi se ono razložilo na pojedinačne čestice. Shodno tome, jedna čestica ima energiju koja je četiri puta manja. Ova energija karakteriše snagu jezgra i njegova je važna karakteristika. Zove se energija vezivanja po čestici ili po nukleonu ( R). Za jezgro atoma helijuma p=28/4=7 MeV, za druga jezgra ima drugačiju vrijednost.
 |
Tokom 1940-ih, zahvaljujući radu Astona, Dempstera i drugih naučnika, vrijednosti defekta mase su određene sa velikom preciznošću i izračunate su energije vezivanja za određeni broj izotopa. Na slici 1.1, ovi rezultati su predstavljeni u obliku grafika, na kojem je atomska težina izotopa ucrtana duž apscise, a prosječna energija vezivanja čestice u jezgru je ucrtana duž ordinate.
Analiza ove krive je zanimljiva i važna, jer iz nje, i vrlo jasno, jasno je koji nuklearni procesi daju veliki prinos energije. U suštini, nuklearna energija Sunca i zvijezda, nuklearnih elektrana i nuklearnog oružja je realizacija mogućnosti inherentnih omjerima koje ova kriva pokazuje. Ima nekoliko karakterističnih područja. Za laki vodonik, energija vezivanja je nula, jer u njegovom jezgru postoji samo jedna čestica. Za helijum, energija vezivanja po čestici je 7 MeV. Dakle, prijelaz sa vodonika na helijum povezan je sa velikim energetskim skokom. Izotopi prosječne atomske težine: željezo, nikl, itd., imaju najveću energiju vezivanja čestica u jezgru (8,6 MeV) i, shodno tome, jezgra ovih elemenata su najtrajnija. Za teže elemente, energija vezivanja čestice u jezgru je manja i stoga su njihova jezgra relativno manje jaka. Jezgro atoma uranijuma-235 također pripada takvim jezgrima.
Što je veći defekt mase jezgra, veća je energija koja se emituje tokom njegovog formiranja. Posljedično, nuklearna transformacija, u kojoj se defekt mase povećava, praćena je dodatnom emisijom energije. Slika 1.1 pokazuje da postoje dva područja u kojima su ispunjeni ovi uvjeti: prijelaz sa najlakših izotopa na teže, kao što je od vodonika do helijuma, i prijelaz sa najtežih, poput urana, na jezgra atoma prosječne vrijednosti. težina.
Postoji i često korišćena količina koja nosi iste informacije kao i defekt mase - faktor pakovanja (ili množitelj). Faktor pakovanja karakteriše stabilnost jezgra, njegov grafikon je prikazan na slici 1.2.
 |
Rice. 1.2. Ovisnost faktora pakovanja od masenog broja
§ 2. Metode spektroskopskog mjerenja mase
mase i opreme.
Najpreciznija mjerenja masa nuklida, rađena dublet metodom i korištena za izračunavanje masa, obavljena su na masenim spektroskopima sa dvostrukim fokusiranjem i na dinamičkom uređaju - sinkrometru.
Jedan od sovjetskih masenih spektrografa sa dvostrukim fokusom tipa Bainbridge-Jordan izgradili su M. Ardenne, G. Eger, R. A. Demirkhanov, T. I. Gutkin i V. V. Dorokhov. Svi maseni spektroskopi sa dvostrukim fokusiranjem imaju tri glavna dijela: izvor jona, elektrostatički analizator i magnetni analizator. Elektrostatički analizator razlaže snop jona u energiji u spektar, iz kojeg prorez izrezuje određeni središnji dio. Magnetski analizator fokusira ione različitih energija u jednoj tački, budući da ioni različitih energija putuju različitim putevima u sektorskom magnetnom polju.
Maseni spektri se snimaju na fotografskim pločama koje se nalaze u kameri. Skala instrumenta je skoro potpuno linearna, a pri određivanju disperzije u centru ploče nema potrebe za primjenom formule s korekcijskim kvadratnim članom. Prosječna rezolucija je oko 70.000.
Još jedan domaći maseni spektrograf dizajnirao je V. Schütze uz učešće R. A. Demirkhanova, T. I. Gutkina, O. A. Samadashvilija i I. K. Karpenka. Korišćen je za mjerenje masa nuklida kalaja i antimona, čiji se rezultati koriste u tablicama masa. Ovaj instrument ima kvadratnu skalu i pruža dvostruko fokusiranje za cijelu skalu mase. Prosječna rezolucija uređaja je oko 70.000.
Od stranih masenih spektroskopa sa dvostrukim fokusiranjem, najprecizniji je novi Nir-Roberts maseni spektrometar sa dvostrukim fokusiranjem i novom metodom za detekciju jona (slika 2.1). Ima elektrostatički analizator od 90 stepeni sa radijusom zakrivljenosti Re=50,8 cm i magnetni analizator od 60 stepeni sa radijusom zakrivljenosti ose jonskog snopa
 |
R m =40,6 cm.
Rice. 2.1. Veliki Nier-Roberts maseni spektrometar sa dvostrukim fokusom na Univerzitetu Minnese:
1 – jonski izvor; 2 – elektrostatički analizator; 3 – magnetni analizator; 4 – elektronski množitelj za tekuću registraciju; S 1 - ulazni prorez; S2 – otvor blende; S 3 - slot u ravni slike elektrostatičkog analizatora; S 4 je prorez u ravni slike magnetnog analizatora.
Joni proizvedeni u izvoru se ubrzavaju razlikom potencijala U a =40 sq. i fokusirajte se na ulazni prorez S1 oko 13 širine µm; ista širina proreza S4 , na koje se projektuje slika proreza S1 . otvor blende S2 ima širinu od oko 200 mikron, slot S3 , na koji elektrostatički analizator projektuje sliku utora S1 , ima širinu od oko 400 µm. Iza jaza S3 sonda se nalazi kako bi se olakšao odabir odnosa U a / U d , odnosno potencijal za ubrzanje U a potencijali izvora jona i analizatora U d .
Na jazu S4 magnetni analizator projektuje sliku jonskog izvora. Jonska struja jačine 10 - 12 - 10 - 9 ali registrovan elektronskim multiplikatorom. Možete podesiti širinu svih proreza i pomicati ih izvana bez ometanja vakuuma, što olakšava poravnavanje instrumenta.
Suštinska razlika između ovog uređaja i prethodnih je upotreba osciloskopa i odvijanje dijela spektra mase, koji je prvi koristio Smith za sinkrometar. U ovom slučaju, pilasti naponski impulsi se koriste istovremeno za pomicanje zraka u cijevi osciloskopa i za modulaciju magnetnog polja u analizatoru. Dubina modulacije je odabrana tako da se maseni spektar odvija na prorezu približno dvostrukoj širini jedne linije dubleta. Ovo trenutno raspoređivanje vrha mase uvelike olakšava fokusiranje.
Kao što je poznato, ako je masa jona M promijenio u Δ M , tada da bi putanja jona u datom elektromagnetnom polju ostala ista, sve električne potencijale treba promijeniti u Δ MM jednom. Dakle, za prijelaz sa jedne svjetlosne komponente dubleta sa masom M na drugu komponentu koja ima masu od Δ M velika, potrebna vam je početna razlika potencijala primijenjena na analizator U d , i na izvor jona U a , promijeniti u skladu sa Δ U d I Δ U a tako da
(2.1)
Dakle, razlika u masi Δ M dublet se može mjeriti razlikom potencijala Δ U d , potrebno je fokusirati umjesto jedne komponente dubleta drugu.
Razlika potencijala se primjenjuje i mjeri prema krugu prikazanom na sl. 2.2. Svi otpori osim R*,
manganin, referentni, zatvoren u termostatu. R=R"
=3 371 630 ± 65 ohm.
Δ R
može varirati od 0 do 100000 om, pa stav Δ R/R
poznato na 1/50000. Otpor ∆ R odabrano tako da kada je relej u kontaktu ALI
,
na pukotini S4
,
ispada da je jedna linija dubleta fokusirana, a kada je relej na kontaktu IN
- još jedna linija dubleta. Relej je brzog djelovanja, prebacuje se nakon svakog ciklusa sweep-a u osciloskopu, tako da možete vidjeti oba sweepa na ekranu u isto vrijeme. 
duple linije. Potencijalna promjena Δ U d
,
uzrokovano dodatnim otporom Δ R
,
može se smatrati podudarnim ako se oba skeniranja poklapaju. U ovom slučaju, drugi sličan krug sa sinkroniziranim relejem trebao bi osigurati promjenu napona ubrzanja U a
na Δ U a
tako da
(2.2)
Zatim razlika u masi dubleta Δ M može se odrediti formulom disperzije
Frekvencija sweep-a je obično prilično velika (na primjer, 30 sec -1), stoga šum izvora napona treba svesti na minimum, ali nije potrebna dugoročna stabilnost. U ovim uslovima, baterije su idealan izvor.
Rezoluciona moć sinkrometra je ograničena zahtevom za relativno velikim jonskim strujama, pošto je frekvencija sweep-a visoka. U ovom uređaju najveća vrijednost moć razlučivanja - 75000, ali je u pravilu manja; najmanja vrijednost je 30000. Takva moć razlučivanja omogućava odvajanje glavnih jona od iona nečistoća u gotovo svim slučajevima.
Prilikom mjerenja pretpostavljeno je da se greška sastoji od statističke greške i greške uzrokovane nepreciznošću kalibracije otpora.
Prije početka rada spektrometra i prilikom određivanja različitih razlika u masi, izvršen je niz kontrolnih mjerenja. Tako su kontrolni dubleti mjereni u određenim intervalima rada instrumenta. O2- S I C 2 H 4 - SO, uslijed čega je utvrđeno da nije bilo promjena nekoliko mjeseci.
Da bi se provjerila linearnost skale, ista razlika mase određena je na različitim masenim brojevima, na primjer, dubletima CH 4 - O , C 2 H 4 - CO I ½ (C 3 H 8 - CO 2). Kao rezultat ovih kontrolnih mjerenja dobijene su vrijednosti koje se međusobno razlikuju samo u granicama grešaka. Ova provjera je napravljena za četiri masovne razlike i dogovor je bio vrlo dobar.
Ispravnost rezultata mjerenja potvrđena je i mjerenjem tri razlike u masama trojki. Algebarski zbir tri masene razlike u tripletu mora biti jednak nuli. Rezultati takvih mjerenja za tri trojke pri različitim masenim brojevima, tj različitim dijelovima skale su bile zadovoljavajuće.
Posljednje i vrlo važno kontrolno mjerenje za provjeru ispravnosti formule disperzije (2.3) bilo je mjerenje mase atoma vodika pri velikim masenim brojevima. Ovo mjerenje je urađeno jednom za ALI =87, kao razlika između masa dubleta C4H8O 2 – C 4 H 7 O2. Rezultati 1,00816±2 ali. jesti. sa greškom do 1/50000 su u skladu sa izmjerenom masom H, jednako 1,0081442±2 ali. jesti., unutar greške mjerenja otpora Δ R i greške kalibracije otpora za ovaj dio vage.
Svih ovih pet serija kontrolnih mjerenja pokazalo je da je formula disperzije pogodna za ovaj instrument, a rezultati mjerenja su prilično pouzdani. Za sastavljanje tabela korišteni su podaci iz mjerenja na ovom instrumentu.
§ 3 . Poluempirijske formule za izračunavanje masa jezgara i energija vezivanja jezgara .
klauzula 3.1. Stare poluempirijske formule.
Sa razvojem teorije strukture jezgra i izgleda razni modeli jezgri, pojavili su se pokušaji da se stvore formule za izračunavanje masa jezgara i energija vezivanja jezgara. Ove formule su zasnovane na postojećim teorijskim idejama o strukturi jezgra, ali se koeficijenti u njima izračunavaju iz pronađenih eksperimentalnih masa jezgara. Takve formule, dijelom zasnovane na teoriji, a dijelom izvedene iz eksperimentalnih podataka, nazivaju se poluempirijske formule .
Poluempirijska formula mase je:
M(Z, N)=Zm H + Nm n -E B (Z, N), (3.1.1)
gdje M(Z, N) je masa nuklida Z protone i N – neutroni; m H je masa nuklida H 1 ; m n je masa neutrona; E B (Z, N) je energija vezivanja jezgra.
Ovu formulu, zasnovanu na statističkim modelima i modelima kapljica jezgra, predložio je Weizsäcker. Weizsäcker je naveo zakone masovne promjene poznate iz iskustva:
1. Energije vezivanja najlakših jezgara rastu vrlo brzo s masenim brojevima.
2. Energije veza E B svih srednjih i teških jezgara rastu približno linearno s masenim brojevima ALI .
3. E B /ALI laka jezgra se povećavaju na ALI ≈60.
4. Prosječna energija vezivanja po nukleonu E B /ALI teža jezgra nakon ALI ≈60 polako se smanjuje.
5. Jezgra s parnim brojem protona i parnim brojem neutrona imaju nešto veću energiju vezivanja od jezgara s neparnim brojem nukleona.
6. Energija vezivanja teži maksimumu u slučaju kada su brojevi protona i neutrona u jezgru jednaki.
Weizsacker je ove pravilnosti uzeo u obzir prilikom kreiranja polu-empirijske formule za energiju vezivanja. Bethe i Becher su donekle pojednostavili ovu formulu:
E B (Z, N)=E 0 +E I +E S +E C +E P . (3.1.2)
i često se naziva Bethe-Weizsacker formula. Prvi član E 0 je dio energije proporcionalan broju nukleona; E I je izotopski ili izobarični termin energije vezivanja, koji pokazuje kako se energija jezgara mijenja kada odstupaju od linije najstabilnijih jezgara; E S je površina ili slobodna energija kapljice nukleonske tekućine; E C je Kulonova energija jezgra; E R - snaga pare.
Prvi mandat je
E 0 \u003d αA . (3.1.3)
Izotopski termin E I je funkcija razlike N–Z . Jer uticaj električnog naboja protona je obezbeđen terminom E OD , E I je posljedica samo nuklearnih sila. Nezavisnost naboja nuklearnih sila, koja se posebno snažno osjeća u lakim jezgrima, dovodi do toga da su jezgra najstabilnija na N=Z . Pošto smanjenje stabilnosti jezgara ne zavisi od predznaka N–Z , ovisnost E I od N–Z mora biti barem kvadratna. Statistička teorija daje sljedeći izraz:
E I = –β( N–Z ) 2 ALI –1 . (3.1.4)
Površinska energija kapi sa koeficijentom površinskog napona σ je jednako sa
E S =4π r 2 σ. (3.1.5)
Kulonov član je potencijalna energija kugle nabijene jednoliko po cijelom volumenu sa nabojem Ze :
(3.1.6)
Zamjena polumjera jezgra u jednačine (3.1.5) i (3.1.6) r=r 0 A 1/3 , dobijamo
(3 .1.7 )
(3.1.8)
i zamjenom (3.1.7) i (3.1.8) u (3.1.2) dobijamo
. (3.1.9)
Konstante α, β i γ su odabrane tako da formula (3.1.9) najbolje zadovoljava sve vrijednosti energija veze izračunate iz eksperimentalnih podataka.
Peti član, koji predstavlja energiju para, zavisi od pariteta broja nukleona:
(3 .1.11 )
ALI
Nažalost, ova formula je prilično zastarjela: neusklađenost sa stvarnim vrijednostima masa može doseći čak 20 MeV i ima prosječnu vrijednost od oko 10 MeV.
U brojnim narednim radovima u početku su samo precizirani koeficijenti ili su uvedeni neki ne baš važni dodatni pojmovi. Metropolis i Reitwiesner su dalje precizirali formulu Bethe-Weizsäcker:
|
+ π0,036A -3/4
(3.1.12)
Za parne nuklide π = –1; za nuklide sa neparnim ALI pi = 0; za neparne nuklide π = +1.
Wapstra je predložio da se uzme u obzir utjecaj školjki koristeći izraz ovog oblika:
(3.1.13)
gdje A i , Z i I Wi su empirijske konstante, odabrane prema eksperimentalnim podacima za svaku ljusku.
Green i Edwards su u formulu mase uveli sljedeći termin koji karakterizira učinak školjki:
(3.1.14)
gdje α i , α j I K ij - konstante dobijene iz iskustva; i - prosječne vrijednosti N I Z u datom intervalu između ispunjenih školjki.
klauzula 3.2. Nove poluempirijske formule koje uzimaju u obzir utjecaj ljuski
Cameron je pošao od Bethe-Weizsäckerove formule i zadržao prva dva člana formule (3.1.9). Pojam površinske energije E S (3.1.7) je promijenjen.
Rice. 3.2.1. Raspodjela gustine nuklearne materije ρ prema Cameronu u zavisnosti od udaljenosti do centra jezgra. ALI -prosečan radijus jezgra; Z - polovina debljine površinskog sloja jezgra.
Kada se razmatra raspršenje elektrona na jezgrima, možemo zaključiti da je raspodjela gustine nuklearne materije u jezgru ρ n trapezoidni (sl. 16). Za prosječni radijus jezgra T možete uzeti rastojanje od centra do tačke u kojoj se gustina smanjuje za polovinu (vidi sliku 3.2.1). Kao rezultat obrade Hofstadterovih eksperimenata. Cameron je predložio sljedeću formulu za prosječni radijus jezgara:
On vjeruje da je površinska energija jezgra proporcionalna kvadratu srednjeg polumjera r2 , i uvodi korekciju koju je predložio Finberg, koja uzima u obzir simetriju jezgra. Prema Cameronu, površinska energija se može izraziti na sljedeći način:
Osim toga. Kameron je uveo peti kulonov termin razmene, koji karakteriše korelaciju u kretanju protona u jezgru i malu verovatnoću približavanja protona. član razmjene
Dakle, višak mase će, prema Cameronu, biti izražen na sljedeći način:
M - A \u003d 8.367A -
0.783Z
+ αA +β 
+
+ E S + E C + E α = P (Z, N). ( 3 .2.5)
Zamjena eksperimentalnih vrijednosti M-A koristeći metodu najmanjih kvadrata, dobili smo sljedeće najpouzdanije vrijednosti empirijskih koeficijenata (in Mev):
α=-17,0354; β=-31,4506; γ=25,8357; φ=44,2355. (3.2.5a)
Ovi koeficijenti su korišteni za izračunavanje masa. Neslaganja između izračunate i eksperimentalne mase prikazana su na sl. 3.2.2. Kao što vidite, u nekim slučajevima odstupanja dostižu 8 Mev. Posebno su veliki u nuklidima sa zatvorenim omotačima.
Cameron je uveo dodatne pojmove: termin koji uzima u obzir utjecaj nuklearnih ljuski S(Z, N), i član P(Z, N) , karakterizirajući energiju para i uzimajući u obzir promjenu mase ovisno o paritetu N I Z :
M-A=P( Z , N)+S(Z, N)+P(Z, N). (3.2.6)
Rice. 3.2.2. Razlike između vrijednosti mase izračunate korištenjem osnovne Cameronove formule (3.2.5) i eksperimentalnih vrijednosti istih masa ovisno o masenom broju ALI .
Istovremeno, pošto teorija ne može ponuditi neku vrstu pojmova koji bi odražavali neke grčevite promjene u masama, on ih je spojio u jedan izraz
T(Z, N)=S(Z, N)+P(Z. N). (3.2.7)
T(Z, N)=T(Z) +T(N). (3.2.8)
Ovo je razumna sugestija, budući da eksperimentalni podaci potvrđuju da se protonske ljuske pune nezavisno od neutronskih, a energije para za protone i neutrone u prvoj aproksimaciji mogu se smatrati nezavisnim.
Na osnovu tabela masa Wapstre i Huizenga, Cameron je sastavio tabele ispravaka T(Z ) I T(N) o paritetu i punjenju ljuski.
G. F. Dranitsyna, koristeći nova mjerenja masa Banoa, R. A. Demirkhanova i brojna nova mjerenja β- i α-raspada, precizirao je vrijednosti korekcija T(Z) I T(N) na području rijetkih zemalja od Ba do Pb. Napravila je nove stolove viška masa (M-A), izračunato po korigovanoj Cameronovoj formuli u ovoj regiji. Tabele takođe pokazuju novoizračunate energije β-raspada nuklida u istom regionu (56≤ Z ≤82).
Stare poluempirijske formule koje pokrivaju čitav raspon ALI , ispadaju previše neprecizni i daju vrlo velika odstupanja sa izmjerenim masama (reda 10 Mev). Cameronovo kreiranje tabela sa više od 300 amandmana smanjilo je neslaganje na 1 mev, ali odstupanja su i dalje stotine puta veća od grešaka u mjerenju masa i njihovih razlika. Tada se pojavila ideja da se cjelokupno područje nuklida podijeli na podpodručja i da se za svako od njih kreiraju poluempirijske formule ograničene primjene. Takav put je odabrao Levy, koji je umjesto jedne formule sa univerzalnim koeficijentima pogodnim za sve ALI I Z , predložio formulu za pojedine dijelove niza nuklida.
Prisustvo paraboličke zavisnosti od Z energije vezivanja izobarskih nuklida zahteva da formula sadrži članove do drugog stepena uključujući. Dakle, Levy je predložio ovu funkciju:
M(A, Z) \u003d α 0 + α 1 A+ α 2 Z+ α 3 AZ+ α 4 Z 2 + α 5 A 2 + δ; (3.2.9)
gdje α 0 , α 1 , α 2 , α 3 , α 4 , α 5 su numerički koeficijenti pronađeni iz eksperimentalnih podataka za neke intervale, i δ je termin koji uzima u obzir uparivanje nukleona i zavisi od pariteta N I Z .
Sve mase nuklida podijeljene su u devet podregija, ograničenih nuklearnim ljuskama i podljuskama, a vrijednosti svih koeficijenata formule (3.2.9) izračunate su iz eksperimentalnih podataka za svaku od ovih podregija. Vrijednosti pronađenih koeficijenata ta i pojam δ , određene paritetom, date su u tabeli. 3.2.1 i 3.2.2. Kao što se vidi iz tabela, nisu uzete u obzir samo ljuske od 28, 50, 82 i 126 protona ili neutrona, već i podljuske od 40, 64 i 140 protona ili neutrona.
Tabela 3.2.1
Koeficijenti α u formuli Levyja (3.2.9), ma. jesti(16 O = 16)
| Z |
N |
α 0 |
α 1 |
α2 |
α 3 |
α4 |
α5 |
Tabela 3.2.2
Termin δ u formuli Lévy (3.2.9), definisan paritetom, ma. jesti. ( 16 O \u003d 16)
Z |
N |
δ at |
|||
| čak Z i čak N |
odd Z i čudno N |
odd Z i čak N |
čak Z i odd N |
||
Koristeći Levyjevu formulu sa ovim koeficijentima (vidi tabele 3.2.1 i 3.2.2), Riddell je izračunao tabelu masa za oko 4000 nuklida na elektronskom kalkulatoru. Poređenje 340 eksperimentalnih vrijednosti mase sa onima izračunatim pomoću formule (3.2.9) pokazalo je dobro slaganje: u 75% slučajeva odstupanje ne prelazi ±0,5 ma. jesti., u 86% slučajeva - ne više ± 1,0ma.e.m. a u 95% slučajeva ne prelazi ±1,5 ma. jesti. Za energiju β-raspada slaganje je još bolje. Istovremeno, Levy ima samo 81 koeficijent i konstantne članove, dok ih Cameron ima više od 300.
Uslovi korekcije T(Z) I T(N ) u formuli Levyja zamjenjuju se u zasebnim dijelovima između školjki kvadratnom funkcijom od Z ili N . Ovo nije iznenađujuće, jer između omotača funkcija T(Z) I T(N) su glatke funkcije Z I N i nemaju karakteristike koje im ne dozvoljavaju da budu predstavljene na ovim presecima polinomima drugog stepena.
Zeldes razmatra teoriju nuklearnih ljuski i primjenjuje novi kvantni broj s - tzv. staž (starost) uveo Rak. kvantni broj" staž " nije tačan kvantni broj; poklapa se sa brojem nesparenih nukleona u jezgru, ili, inače, jednak je broju svih nukleona u jezgru umanjen za broj uparenih nukleona sa nula impulsa. U osnovnom stanju u svim parnim jezgrima s=0; u jezgrima sa neparnim A s=1 i u neparnim jezgrima s= 2 . Koristeći kvantni broj “ staž ” i ekstremno kratkog dometa delta sila, Zeldes je pokazao da je formula poput (3.2.9) u skladu sa teorijskim očekivanjima. Sve koeficijente Levyjeve formule Zeldes je izrazio kroz različite teorijske parametre kernela. Dakle, iako se Levyjeva formula činila čisto empirijskom, rezultati Zeldesovog istraživanja pokazali su da se može smatrati polu-empirijskom, kao i sve prethodne.
Levyjeva formula je, očigledno, najbolja od postojećih, ali ima jedan značajan nedostatak: slabo je primjenjiva na granici domena koeficijenata. Radi se o Z I N , jednaka 28, 40, 50, 64, 82, 126 i 140, Levyjeva formula daje najveća odstupanja, posebno ako se iz nje računaju energije β-raspada. Osim toga, koeficijenti formule Levy se izračunavaju bez uzimanja u obzir najnovije vrednosti mase i, po svemu sudeći, treba da bude preciziran. Prema B. S. Dželepovu i G. F. Dranitsyni, ovaj proračun bi trebao smanjiti broj poddomena sa različitim skupovima koeficijenata α I δ , odbacujući podljuske Z =64 i N =140.
Cameronova formula sadrži mnoge konstante. Becker formula također pati od istog nedostatka. U prvoj verziji Beckerove formule, na osnovu činjenice da su nuklearne sile kratkog dometa i imaju svojstvo zasićenja, pretpostavili su da jezgro treba podijeliti na vanjske nukleone i unutrašnji deo, koji sadrži punjene školjke. Prihvatili su da vanjski nukleoni ne stupaju u interakciju jedni s drugima, osim energije koja se oslobađa tokom formiranja parova. Iz ovog jednostavnog modela slijedi da nukleoni istog pariteta imaju energiju veze zbog vezivanja za jezgro, koja ovisi samo o višku neutrona I=N -Z . Stoga se za energiju vezivanja predlaže prva verzija formule
E B = b "( ja) ALI + ali" ( ja) + P " (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S"(A, I)+R"(A, ja) , (3. 2.1 0 )
gdje R" - paritetno ovisan termin uparivanja N I Z ; S" - korekcija efekta školjke; R" - mali ostatak.
U ovoj formuli, bitno je pretpostaviti da je energija vezivanja po nukleonu jednaka b" , zavisi samo od viška neutrona I . To znači da su poprečni presjeci energetske površine duž linija I=N- Z , najduži dijelovi koji sadrže 30-60 nuklida trebaju imati isti nagib, tj. treba da bude ravna linija. Eksperimentalni podaci dosta dobro potvrđuju ovu pretpostavku. Nakon toga, Beckerovi su ovu formulu dopunili još jednim pojmom :
E B = b ( ja) ALI + ali( ja) + c(A)+P (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S(A, I)+R(A, I). ( 3. 2.1 1 )
Upoređujući vrijednosti dobivene ovom formulom s eksperimentalnim vrijednostima Wapstra i Huizeng masa i izjednačavajući ih metodom najmanjih kvadrata, Beckers je dobio niz vrijednosti koeficijenta b I ali za 2≤ I ≤58 i 6≤ A ≤258, odnosno više od 400 digitalnih konstanti. Za članove R , paritet N I Z , oni su također usvojili skup nekih empirijskih vrijednosti.
Za smanjenje broja konstanti predložene su formule u kojima su koeficijenti a, b I od predstavljene su kao funkcije iz I I ALI . Međutim, oblik ovih funkcija je vrlo kompliciran, na primjer, funkcija b( ja) je polinom petog stepena u I i sadrži, pored toga, dva člana sa sinusom.
Tako se pokazalo da ova formula nije ništa jednostavnija od Cameronove formule. Prema Bekersu, daje vrijednosti koje se razlikuju od izmjerenih masa lakih nuklida za najviše ±400 kev, i za teške A >180) ne više od ±200 kev. U školjkama, u nekim slučajevima, odstupanje može doseći ± 1000 kev. Nedostatak Beckersovog rada je nepostojanje tablica mase izračunatih korištenjem ovih formula.
U zaključku, sumirajući, treba napomenuti da postoji vrlo veliki broj poluempirijske formule različitog kvaliteta. Uprkos činjenici da je prva od njih, formula Bethe-Weizsacker, izgleda zastarjela, ona se i dalje pojavljuje kao komponenta u skoro svim najnovijim formulama, osim u formulama tipa Levi-Zeldes. Nove formule su prilično složene i izračunavanje masa iz njih je prilično naporno.
Književnost
1. Zavelsky F.S. Vaganje svjetova, atoma i elementarnih čestica.–M.: Atomizdat, 1970.
2. G. Fraunfelder, E. Henley, Subatomska fizika.–M.: Mir, 1979.
3. Kravcov V.A. Masa atoma i energije vezivanja jezgara.–M.: Atomizdat, 1974.
U fizičkoj skali atomskih težina, atomska težina izotopa kiseonika uzima se kao tačno 16.0000.
Dio 5. Defekt mase-energija vezivanja-nuklearne snage.5.1. Prema nukleonskom modelu koji danas postoji, atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona, koji se unutar jezgre drže nuklearnim silama.
Citat: "Atomsko jezgro se sastoji od gusto zbijenih nukleona - pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, međusobno povezanih moćnim i kratkim dometima nuklearne snage uzajamno privlačenje... (Atomsko jezgro. Wikipedia. Atomsko jezgro. TSB).
Međutim, uzimajući u obzir principe pojave defekta mase u neutronu, iznesene u dijelu 3, informacije o nuklearnim silama zahtijevaju pojašnjenje.
5.2. Školjke neutrona i protona su gotovo identične u svom "dizajnu". Imaju talasnu strukturu i predstavljaju zbijeni elektromagnetski talas, u kome se energija magnetnog polja u potpunosti ili delimično pretvara u energiju električnog ( + /-) polja. Međutim, iz nepoznatih razloga, ove dvije različite čestice imaju ljuske iste mase - 931,57 MeV. To jest: ljuska protona je "kalibrirana" i u slučaju klasičnog beta preuređivanja protona, masa njegove ljuskeje u potpunosti i potpuno "naslijeđen" neutronom (i obrnuto).
5.3. Međutim, u unutrašnjosti zvijezda, prilikom beta prestrojavanja protona u neutrone, koristi se sopstvena materija protonske ljuske, zbog čega svi formirani neutroni u početku imaju defekt mase. U tom smislu, u svakoj prilici, "defektan" neutron teži da se obnovi na bilo koji način referenca mase njegove ljuske i pretvaraju se u "punopravnu" česticu. I ova želja neutrona da obnovi svoje parametre (nadoknadi nedostatak) sasvim je razumljiva, opravdana i "legitimna". Stoga se, u najmanjoj prilici, „defektan“ neutron jednostavno „zalijepi“ (zalijepi, zalijepi, itd.) za ljusku najbližeg protona.
5.4. Otuda: vezana energija i nuklearne sile su inherentne su ekvivalent sile, kojim neutron nastoji da protonu "odnese" nedostajući dio svoje ljuske. Mehanizam ovog fenomena još uvijek nije jasan i ne može se predstaviti u okviru ovog rada. Međutim, može se pretpostaviti da je neutron sa svojom "defektnom" ljuskom djelomično isprepleten s neoštećenom (i jačom) ljuskom protona.
5.5.Na ovaj način:
a) defekt mase neutrona - nisu apstraktni, ne zna se kako i gdje su se pojavili nuklearne snage . Defekt mase neutrona je vrlo stvaran nedostatak neutronske materije, čije prisustvo (kroz energetski ekvivalent) osigurava pojavu nuklearnih sila i vezujuće energije;
b) energija vezivanja i nuklearne sile su različiti nazivi za isti fenomen - defekt mase neutrona. tj.:
defekt mase (a.m.u.* E 1
) = energija veze (MeV) = nuklearne sile (MeV) gdje je E 1
je energetski ekvivalent jedinice atomske mase.
Dio 6. Parne veze između nukleona.
6.1. Citat: „Prihvaćeno je da su nuklearne sile manifestacija snažne interakcije i da imaju sljedeća svojstva:
a) nuklearne sile djeluju između bilo koja dva nukleona: protona i protona, neutrona i neutrona, protona i neutrona;
b) nuklearne sile privlačenja protona unutar jezgra su približno 100 puta veće od električnog odbijanja protona. Jače sile od nuklearnih se ne primjećuju u prirodi;
c) nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: njihov radijus djelovanja je oko 10 - 15 m". (I.V. Yakovlev. Energija vezivanja jezgra).
Međutim, uzimajući u obzir navedene principe pojave defekta mase u neutronu, odmah se javljaju zamjerke na tačku a) i zahtijeva detaljnije razmatranje.
6.2. U formiranju deuterona (i jezgara drugih elemenata) koristi se samo defekt mase neutrona. Protoni defekta mase uključeni u ove reakcije nije formirana. Osim toga - protoni uopće ne mogu imati defekt mase, ukoliko:
prvo: nema "tehnološke" potrebe za njegovim formiranjem, jer za formiranje deuterona i jezgara drugih hemijski elementi defekt mase je dovoljan samo za neutrone;
drugo: proton je jača čestica od neutrona "rođenog" na njegovoj bazi. Stoga, čak i kada je sjedinjen sa "defektnim" neutronom, proton nikada i ni pod kojim okolnostima neće ustupiti mjesto neutronu "ni grama" svoje materije. Upravo na ova dva fenomena - "nepopustljivosti" protona i prisutnosti defekta mase u neutronu - zasniva se postojanje energije vezivanja i nuklearnih sila.
6.3. U vezi sa gore navedenim, proizilaze sledeći jednostavni zaključci:
a) nuklearne sile svibanjčin samo između protona i „defektnog“ neutrona, budući da imaju ljuske s različitim distribucijama naboja i različite jačine (ljuska protona je jača);
b) nuklearne sile ne mogu djeluju između proton-protona jer protoni ne mogu imati defekt mase. Stoga je isključeno stvaranje i postojanje diprotona. Potvrda - diproton još nije eksperimentalno otkriven (i nikada neće biti otkriven). Nadalje, ako postoji (hipotetički) veza proton-proton, onda jednostavno pitanje postaje legitimno: zašto je onda prirodi potreban neutron? Odgovor je nedvosmislen – u ovom slučaju neutron uopće nije potreban za konstrukciju složenih jezgara;
c) nuklearne sile ne mogu djeluju između neutrona i neutrona, budući da neutroni imaju ljuske istog tipa u smislu jačine i raspodjele naboja. Stoga je nastanak i postojanje dineutrona isključeno. Potvrda - dineutron još nije eksperimentalno otkriven (i nikada neće biti otkriven). Nadalje, ako postoji (hipotetički) veza neutron-neutron, tada bi jedan od dva neutrona ("jači") gotovo trenutno obnovio integritet svoje ljuske nauštrb ljuske drugog ("slabije").
6.4. Na ovaj način:
a) protoni imaju naboj i, posljedično, Kulonove odbojne sile. Zbog toga jedina svrha neutrona je njegova sposobnost (sposobnost) da stvori defekt mase i svojom veznom energijom (nuklearnim silama) "ljepi" nabijene protone i zajedno sa njima formira jezgra hemijskih elemenata;
b) energija vezivanja može djelovati samo između protona i neutrona, And ne mogu djeluju između proton-proton i neutron-neutron;
c) isključeno je prisustvo defekta mase u protonu, kao i formiranje i postojanje diprotona i dineutrona.
dio 7 "Mezonske struje".
7.1. Citat: “Vezivanje nukleona vrši se ekstremno kratkotrajnim silama koje nastaju kao rezultat kontinuirane izmjene čestica zvanih pi-mezoni... Interakcija nukleona se svodi na više činova emisije mezona od strane jednog nukleona i njegovu apsorpciju od strane drugog ... Najizrazitija manifestacija struja razmjene mezona pronađena je u reakcijama cijepanja deuterona od strane visokoenergetskih elektrona i g-kvanta (Atomsko jezgro. Wikipedia, TSB, itd.).
Mišljenje da nuklearne sile „... nastaju kao rezultat kontinuirane razmjene čestica zvanih pi-mezoni...” zahtijeva pojašnjenje iz sljedećih razloga:
7.2. Pojava mezonskih struja tokom uništavanja deuterona (ili drugih čestica) ni pod kojim okolnostima ne može se smatrati pouzdanom činjenicom stalnog prisustva ovih čestica (mezona) u stvarnosti, jer:
a) u procesu destrukcije, stabilne čestice na bilo koji način pokušavaju da sačuvaju (rekreiraju, „poprave“ itd.) svoju strukturu. Stoga, prije konačnog raspada, oni formiraju brojne slični sebi fragmenti srednje strukture sa raznim kombinacijama kvarkova - miona, mezona, hiperona itd. itd.
b) ovi fragmenti su samo srednji produkti raspadanja s čisto simboličnim vijekom trajanja („privremeni stanovnici“) i stoga ne može se uzeti u obzir kao trajne i stvarno postojeće strukturne komponente stabilnijih formacija (elementi periodnog sistema i njihovi sastavni protoni i neutroni).
7.3. Dodatno: mezoni su složene čestice s masom od oko 140 MeV, koje se sastoje od kvarkova-antikvarkova u-d i školjke. A pojava takvih čestica "unutar" deuterona jednostavno je nemoguća iz sljedećih razloga:
a) pojava jednog minus mezona ili plus mezona predstavlja 100% kršenje zakona o očuvanju naboja;
b) formiranje mezon kvarkova će biti praćeno pojavom nekoliko međuparova elektron-pozitron i neopoziv bacanje energije (materije) u obliku neutrina. Ovi gubici, kao i trošak protonske materije (140 MeV) za formiranje najmanje jednog mezona, predstavljaju 100% kršenje kalibracije protona (masa protona je 938,27 MeV, ni više ni manje) .
7.4. Na ovaj način:
ali ) dvije čestice - proton i neutron, koje formiraju deuteron, drže se zajedno samo energija veze, čija je osnova nedostatak materije (maseni defekt) neutronske ljuske;
b) vezivanje nukleona uz pomoć " više radnji»razmjena pi-mezona (ili drugih "privremenih" čestica) - isključeno, jer je to 100% kršenje zakona održanja i integriteta protona.
Dio 8. Solarni neutrini.
8.1. Trenutno, kada se računa broj solarnih neutrina, u skladu sa formulom p + p = D + e + + v e+ 0,42 MeV, pretpostavlja se da se njihova energija nalazi u rasponu od 0 do 0,42 MeV. Međutim, ovo ne uzima u obzir sljedeće nijanse:
8.1.1. U-prvo. Kao što je spomenuto u paragrafu 4.3, energetske vrijednosti (+0,68 MeV) i (-0,26 MeV) ne mogu se sumirati, jer je to apsolutno različite vrste(vrste) energije koje se oslobađaju/troše u različitim fazama procesa (u različitim vremenskim intervalima). Energija (0,68 MeV) se oslobađa u početnoj fazi procesa formiranja deuterona i odmah se raspoređuje između pozitrona i neutrina u proizvoljnim proporcijama. Stoga su izračunate vrijednosti solarne energije neutrina u rasponu 0 do 0,68 MeV.8.1.2. U-sekunda. U utrobi Sunca materija je pod uticajem monstruoznog pritiska, koji se kompenzuje Kulonovskim silama odbijanja protona. Tokom beta preuređenja jednog od protona, njegovo Kulonovo polje (+1) nestaje, ali se na njegovom mjestu odmah pojavljuje ne samo električni neutralni neutron, već i nova čestica - pozitron sa potpuno istim Coulomb poljem (+1). "Novorođeni" neutron je dužan da izbaci "nepotreban" pozitron i neutrino, ali je sa svih strana okružen (stisnut) Kulombovim (+1) poljima drugih protona. A pojava nove čestice (pozitron) sa potpuno istim poljem (+1) teško da će biti "dočekana sa oduševljenjem". Dakle, da bi pozitron napustio reakcionu zonu (neutron), potrebno je savladati kontraotpor „stranih“ Kulombovih polja. Za to, pozitron mora ( mora) imaju značajne zalihe kinetička energija i stoga će većina energije oslobođene tokom reakcije biti prebačena na pozitron.
8.2. Na ovaj način:
a) distribucija energije oslobođene tokom beta preuređenja između pozitrona i neutrina ne zavisi samo od prostornog rasporeda nastalog para elektron-pozitron unutar kvarka i rasporeda kvarkova unutar protona, već i od prisustva spoljne sile, koji sprečavaju izlazak pozitrona;
b) da bi se savladala vanjska Kulonova polja, najveći dio energije oslobođene tokom beta restrukturiranja (od 0,68 MeV) će biti prebačen na pozitron. U ovom slučaju, prosječna energija velike većine neutrina bit će nekoliko puta (ili čak nekoliko desetina puta) manja od prosječne energije pozitrona;
c) trenutno prihvaćena kao osnova za izračunavanje broja solarnih neutrina, njihova energetska vrijednost od 0,42 MeV ne odgovara stvarnosti.
Sastav atomskog jezgra
Nuklearna fizika- nauka o strukturi, svojstvima i transformacijama atomskih jezgara. Godine 1911. E. Rutherford je u eksperimentima s rasipanjem a-čestica dok prolaze kroz materiju ustanovio da se neutralni atom sastoji od kompaktnog pozitivno nabijenog jezgra i oblaka negativnih elektrona. W. Heisenberg i D.D. Ivanenko (nezavisno) je pretpostavio da se jezgro sastoji od protona i neutrona.
atomsko jezgro- centralni masivni dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona, koji je dobio opći naziv nukleoni. Gotovo cijela masa atoma koncentrisana je u jezgru (više od 99,95%). Veličine jezgara su reda veličine 10 -13 - 10 -12 cm i zavise od broja nukleona u jezgru. Gustoća nuklearne materije i za laka i za teška jezgra je skoro ista i iznosi oko 10 17 kg/m 3 , tj. 1 cm 3 nuklearne materije bio bi težak 100 miliona tona Jezgra imaju pozitivan električni naboj jednak apsolutnoj vrijednosti ukupnog naboja elektrona u atomu.
Proton (simbol p) - elementarna čestica, jezgro atoma vodika. Proton ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Masa protona m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e , gdje je m e masa elektrona.
U nuklearnoj fizici je uobičajeno da se mase izražavaju u jedinicama atomske mase:
1 amu = 1,65976 10 -27 kg.
Dakle, masa protona, izražena u a.m.u., je
m p = 1,0075957 amu
Broj protona u jezgru se naziva broj naplate Z. On je jednak atomskom broju datog elementa i, prema tome, određuje mjesto elementa u periodičnom sistemu elemenata Mendeljejeva.
Neutron (simbol n) - elementarna čestica koja nema električni naboj, čija je masa nešto veća od mase protona.
Masa neutrona m n = 1,675 10 -27 kg \u003d 1,008982 a.m.u. Broj neutrona u jezgru označava se N.
Ukupan broj protona i neutrona u jezgru (broj nukleona) se naziva maseni broj i označena je slovom A,
Simbol se koristi za označavanje jezgara, gdje je X hemijski simbol elementa.
izotopi- varijeteti atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj protona (Z) i različit broj neutrona (N). Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata. Kao primjer dajemo izotope vodika:
Koncept nuklearnih sila.
Jezgra atoma su izuzetno jake formacije, uprkos činjenici da se slično nabijeni protoni, koji se nalaze na vrlo malim udaljenostima u atomskom jezgru, moraju odbijati jedni druge velikom silom. Posljedično, unutar jezgre djeluju izuzetno jake privlačne sile između nukleona, mnogo puta veće od električnih sila odbijanja između protona. Nuklearne sile jesu posebna vrsta sile, to su najjače od svih poznatih interakcija u prirodi.
Istraživanja su pokazala da nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:
- nuklearne privlačne sile djeluju između bilo kojeg nukleona, bez obzira na njihovo stanje naboja;
- nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: djeluju između bilo koja dva nukleona na udaljenosti između centara čestica od oko 2 10 -15 m i naglo padaju s povećanjem udaljenosti (na udaljenosti većoj od 3 10 -15 m već su praktično jednak nuli);
- nuklearne sile karakterizira zasićenje, tj. svaki nukleon može komunicirati samo s nukleonima jezgra koji su mu najbliži;
- nuklearne sile nisu centralne, tj. ne djeluju duž linije koja povezuje centre nukleona u interakciji.
Trenutno, priroda nuklearnih sila nije u potpunosti shvaćena. Utvrđeno je da su to tzv. razmjene. Razmjenske sile su kvantne prirode i nemaju analogiju u klasičnoj fizici. Nukleoni su povezani trećom česticom koju neprestano razmjenjuju. Japanski fizičar H. Yukawa je 1935. godine pokazao da nukleoni razmjenjuju čestice čija je masa oko 250 puta veća od mase elektrona. Predviđene čestice je 1947. godine otkrio engleski naučnik S. Powell dok je proučavao kosmičke zrake i kasnije ih nazvao p-mezonima ili pionima.
Međusobne transformacije neutrona i protona potvrđene su raznim eksperimentima.
Defekt mase atomskih jezgara. Energija vezivanja atomskog jezgra.
Nukleoni u atomskom jezgru međusobno su povezani nuklearnim silama, stoga je, da bi se jezgro podijelilo na njegove pojedinačne protone i neutrone, potrebno potrošiti mnogo energije.
Minimalna energija potrebna da se jezgro podijeli na sastavne nukleone naziva se nuklearna energija vezivanja. Ista količina energije se oslobađa kada se slobodni neutroni i protoni spoje u jezgro.
Precizna masena spektroskopska mjerenja masa jezgara pokazala su da je masa mirovanja atomskog jezgra manja od zbira masa mirovanja slobodnih neutrona i protona od kojih je jezgro formirano. Razlika između zbira masa mirovanja slobodnih nukleona od kojih je jezgro formirano i mase jezgra naziva se defekt mase:
Ova razlika mase Dm odgovara energiji vezivanja jezgra E St, određen Einstein relacijom:
ili, zamjenom izraza za D m, dobijamo:
Energija vezivanja se obično izražava u megaelektronvoltima (MeV). Definirajmo energiju veze koja odgovara jednoj jedinici atomske mase ( , brzina svjetlosti u vakuumu ):
Dobivenu vrijednost prevedemo u elektronvolte:
U tom smislu, u praksi je zgodnije koristiti sljedeći izraz za energiju veze:
gdje je faktor Dm izražen u jedinicama atomske mase.
Važna karakteristika jezgra je specifična energija vezivanja jezgra, tj. energija vezivanja po nukleonu:
Što je više, to su nukleoni jače vezani jedan za drugog.
Zavisnost vrijednosti e od masenog broja jezgra prikazana je na slici 1. Kao što se može vidjeti iz grafikona, nukleoni u jezgrima s masenim brojevima reda 50-60 (Cr-Zn) su najjače vezani. . Energija vezivanja ovih jezgara dostiže
8,7 MeV/nukleon. Kako se A povećava, specifična energija vezivanja postepeno opada.
- Radioaktivno zračenje i njegove vrste. Zakon radioaktivnog raspada.
Francuski fizičar A. Becquerel 1896. godine. proučavajući luminescenciju soli uranijuma, slučajno je otkrio njihovu spontanu emisiju zračenja nepoznate prirode, koje je djelovalo na fotografsku ploču, ioniziralo zrak, prolazilo kroz tanke metalne ploče i izazvalo luminescenciju niza tvari.
Nastavljajući proučavanje ovog fenomena, Curies je otkrio da takvo zračenje nije karakteristično samo za uranijum, već i za mnoge druge teške elemente (torijum, aktinijum, polonijum, radijum).
Detektovano zračenje nazvano je radioaktivnim, a sam fenomen radioaktivnošću.
Daljnji eksperimenti su pokazali da na prirodu zračenja lijeka ne utječe vrsta kemikalije. veze, stanje agregacije, pritisak, temperatura, električna i magnetna polja, tj. svi oni uticaji koji bi mogli dovesti do promene stanja elektronske ljuske atoma. Stoga su radioaktivna svojstva elementa posljedica samo strukture njegovog jezgra.
Radioaktivnost je spontana transformacija jednog atomskog jezgra u drugo, praćena emisijom elementarnih čestica. Radioaktivnost se dijeli na prirodnu (opažena u nestabilnim izotopima koji postoje u prirodi) i umjetnu (opažena u izotopima dobivenim nuklearnim reakcijama). Među njima nema suštinske razlike, zakoni radioaktivne transformacije su isti. Radioaktivno zračenje ima složen sastav (slika 2).
- zračenje je struja jezgri helijuma, , , ima visoku jonizujuću sposobnost i nisku prodornu moć (apsorbuje sloj aluminijuma sa mm).
- zračenje je tok brzih elektrona. Jonizujuća sposobnost je oko 2 reda veličine manja, a moć prodiranja je mnogo veća, apsorbira je sloj aluminija sa mm.
- zračenje- kratkotalasno elektromagnetno zračenje sa m i, kao rezultat, sa izraženim korpuskularnim svojstvima, tj. je tok kvanta. Ima relativno slabu jonizujuću sposobnost i vrlo veliku prodornu moć (prolazi kroz sloj olova sa cm).
Pojedinačna radioaktivna jezgra prolaze transformacije nezavisno jedna od druge. Stoga možemo pretpostaviti da je broj jezgara koje su se raspale tokom vremena proporcionalan broju dostupnih radioaktivnih jezgara i vremenu:
Znak minus odražava činjenicu da se broj radioaktivnih jezgara smanjuje.
Konstanta radioaktivnog raspada karakteristična za datu radioaktivnu supstancu određuje brzinu radioaktivnog raspada.
, 
,
- zakon radioaktivnog raspada,
Broj jezgara u početnom trenutku,
Broj neraspadnutih jezgara u jednom trenutku.
Broj neraspadnutih jezgara se eksponencijalno smanjuje.
Broj jezgara koja su se raspala tokom vremena određen je izrazom
Vrijeme koje je potrebno da se polovina prvobitnog broja jezgara raspadne naziva se poluživot. Hajde da definišemo njegovu vrednost.
, , 
,
, 
.
Poluživot za trenutno poznata radioaktivna jezgra je u rasponu od 3×10 -7 s do 5×10 15 godina.
Naziva se broj jezgara koje se raspadaju u jedinici vremena aktivnost elementa u radioaktivnom izvoru,
.
Aktivnost po jedinici mase supstance - specifična aktivnost,
Jedinica aktivnosti u C je bekerel (Bq).
1 Bq je aktivnost elementa, pri kojoj se 1 čin raspadanja javlja u 1 s;
Vansistemska jedinica radioaktivnosti je kiri (Ci). 1Ki - aktivnost pri kojoj se 3,7×10 10 čina raspada dešavaju u 1 s.
- Zakoni očuvanja radioaktivnih raspada i nuklearnih reakcija.
Atomsko jezgro koje se raspada naziva se majčinski, jezgro u nastajanju - dijete.
Radioaktivni raspad se dešava u skladu sa takozvanim pravilima pomeranja, koja omogućavaju da se odredi koje jezgro je rezultat raspada datog matičnog jezgra.
Pravila pomaka su posljedica dva zakona koji vrijede tokom radioaktivnih raspada.
1. Zakon održanja električnog naboja:
zbir naboja jezgara i čestica u nastajanju jednak je naboju originalnog jezgra.
2. Zakon održanja masenog broja:
zbir masenih brojeva rezultirajućih jezgara i čestica jednak je masenom broju originalnog jezgra.
Alfa raspad.
Zrake su tok jezgara. Propadanje se odvija prema shemi
,
X- hemijski simbol roditeljskog jezgra, - dijete.
Alfa raspad je obično praćen emisijom zraka od strane jezgra kćeri.
Iz šeme se vidi da je atomski broj kćerke jezgre 2 jedinice manji od matičnog, a maseni broj 4 jedinice, tj. element koji je rezultat raspada će se nalaziti u periodnom sistemu 2 ćelije lijevo od originalnog elementa.
.
Kao što foton ne postoji u gotovom obliku u unutrašnjosti atoma i pojavljuje se samo u trenutku zračenja, čestica također ne postoji u gotovom obliku u jezgru, već nastaje u trenutku njegovog radioaktivnog raspada kada 2 protona koji se kreću unutar jezgra i 2 x neutrona.
Beta - raspad.
Raspad ili elektronski raspad se odvija prema šemi
.
Rezultirajući element će se nalaziti u tabeli jednu ćeliju udesno (pomaknuti) u odnosu na originalni element.
Beta raspad može biti praćen emisijom zraka.
Gama zračenje . Eksperimentalno je utvrđeno da zračenje nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već samo prati - i - raspada, nastaje u nuklearnim reakcijama, usporavanju nabijenih čestica, njihovom raspadu itd.
nuklearna reakcija naziva se proces snažne interakcije atomskog jezgra sa elementarnom česticom ili drugim jezgrom, što dovodi do transformacije jezgra (ili jezgara). Interakcija reagujućih čestica nastaje kada se one približe udaljenostima reda 10 -15 m, tj. do udaljenosti na kojima je moguće djelovanje nuklearnih sila, r ~ 10 -15 m.
Najčešći tip nuklearne reakcije je reakcija interakcije svjetlosne čestice "" s jezgrom X, uslijed čega nastaje lagana čestica " in" i jezgro Y.
X je početno jezgro, Y je konačno jezgro.
Čestica koja izaziva reakciju
in je čestica nastala reakcijom.
kao lake čestice ali I in mogu se pojaviti neutron, proton, deuteron, - čestica, - foton.
U bilo kojoj nuklearnoj reakciji, zakoni očuvanja su ispunjeni:
1) električni naboji: zbir naelektrisanja jezgara i čestica koje ulaze u reakciju jednak je zbiru naelektrisanja konačnih proizvoda (jezgra i čestica) reakcije;
2) maseni brojevi;
3) energija;
4) impuls;
5) ugaoni moment.
Energetski učinak nuklearne reakcije može se izračunati sastavljanjem energetskog bilansa reakcije. Količina oslobođene i apsorbirane energije naziva se reakcijska energija i određena je razlikom u masama (izraženim u energetskim jedinicama) početnih i konačnih proizvoda nuklearne reakcije. Ako zbir masa nastalih jezgara i čestica premašuje zbir masa početnih jezgara i čestica, reakcija se nastavlja uz apsorpciju energije (i obrnuto).
Pitanje pri kojim transformacijama jezgra dolazi do apsorpcije ili oslobađanja energije može se riješiti korištenjem grafika ovisnosti specifične energije vezivanja od masenog broja A (slika 1). Grafikon pokazuje da su jezgra elemenata početka i kraja periodični sistem manje stabilan, jer e imaju manje.
Posljedično, oslobađanje nuklearne energije događa se i u reakcijama fisije teških jezgri i u reakcijama fuzije lakih jezgara.
Ova odredba je izuzetno važna, jer se na njoj zasnivaju industrijske metode za dobijanje nuklearne energije.
Kontakt elektronskih i poluprovodnika sa rupama...
Vodljivost intrinzičnih poluprovodnika zbog elektrona naziva se . Elektronsko provođenje ili n-tip provodljivosti. U re-onima termičkih bacanja elemenata iz zone 1 u zonu 2 pojavljuju se prazna stanja u valentnoj zoni, koja se nazivaju rupe. U vanjskom električnom polju, elektron sa susjednog nivoa može se pomaknuti na mjesto oslobođeno elektrona, rupa i rupa će se pojaviti na mjestu odakle je elektron otišao i tako dalje. takav proces punjenja rupa elektronima jednak je pomicanju rupe u smjeru suprotnom kretanju elektrona, kao da rupa ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Provodljivost intrinzičnih poluprovodnika, zbog kvazi-čestica - rupa, tzv. provodljivost rupa ili provodljivost p-tipa. Područje poluprovodnika u kojem dolazi do prostorne promjene vrste provodljivosti (od elektronske n do rupe p). Budući da je u okrugu E.-d. Pošto je koncentracija rupa mnogo veća nego u n-području, rupe iz n-područja imaju tendenciju da difundiraju u elektronsko područje. Elektroni difundiraju u p-područje. Međutim, nakon odlaska rupa u n-području ostaju negativno nabijeni akceptorski atomi, a nakon odlaska elektrona u n-području ostaju pozitivno nabijeni donorski atomi. Pošto su atomi akceptora i donora nepokretni, onda u području E.-l. n. formira se dvostruki sloj prostornog naboja - negativni naboji u p-području i pozitivni naboji u n-području (slika 1). Kontaktno električno polje koje nastaje u ovom slučaju je takve veličine i smjera da se suprotstavlja difuziji slobodnih nosilaca struje kroz E.-d. P.; u uslovima termičke ravnoteže u odsustvu spoljašnjeg električnog napona, ukupna struja kroz E.-d. n je jednako nuli. Dakle, u E.-d. n. postoji dinamička ravnoteža u kojoj mala struja koju stvaraju manjinski nosioci (elektroni u p-području i rupe u n-području) teče u E.-d. p. i prolazi kroz njega pod dejstvom kontaktnog polja, a jednaka struja stvorena difuzijom glavnih nosilaca (elektrona u n-području i rupa u p-području) teče kroz E.-d. n. u suprotnom smjeru. U ovom slučaju, glavni nosioci moraju savladati kontaktno polje (potencijalnu barijeru). Razlika potencijala koja se javlja između p- i n-područja zbog prisustva kontaktnog polja (kontaktna razlika potencijala ili visina potencijalne barijere) obično iznosi desetinke volta. Eksterno električno polje mijenja visinu potencijalne barijere i narušava ravnotežu protoka nosioca struje kroz nju. Ako se stavi. potencijal se primjenjuje na p-područje, tada se vanjsko polje usmjerava prema kontaktu, odnosno potencijalna barijera se smanjuje (prednagib). U ovom slučaju, kako se primijenjeni napon povećava, broj većinskih nosilaca koji su u stanju da prevladaju potencijalnu barijeru eksponencijalno raste. Koncentracija sporednih nosača na obje strane E.-d. n.povećava (ubrizgavanje manjinskih nosilaca), istovremeno u p- i n-regije preko kontakata ulaze jednake količine glavni nosioci, koji uzrokuju neutralizaciju naelektrisanja ubrizganih nosača.
Serija se zove kontakt fizičke pojave koji nastaju u području dodira različitih tijela. Kontaktne pojave su od praktičnog interesa u slučaju kontakta između metala i poluprovodnika.
Hajde da objasnimo pojavu kontaktna razlika potencijala , koristeći koncepte teorije pojasa. Razmotrimo kontakt dva metala s različitim radnim funkcijama A out1 I A out2. Energetski dijagrami pojasa oba metala prikazani su na sl. 2. Ovi metali takođe imaju različite Fermijeve nivoe (Fermi nivo ili Fermijeva energija ( E F) je energija ispod koje su sva energetska stanja ispunjena, a iznad koje su prazna na temperaturi apsolutne nule). Ako A out1<A out2(Sl. 2), tada je nivo Fermija u metalu 1 viši nego u metalu 2. Stoga, kada metali dođu u kontakt, elektroni sa viših nivoa metala 1 će ići na niže nivoe metala 2, što će dovesti do metala 1 je naelektrisan pozitivno, a metal 2 negativno.
Istovremeno dolazi do relativnog pomaka energetskih nivoa: u pozitivno nabijenom metalu svi nivoi se pomiču naniže, a u negativno nabijenom metalu pomiču se prema gore. Ovaj proces će se nastaviti sve dok se ne uspostavi termodinamička ravnoteža između metala u kontaktu, koju, kako je dokazano u statističkoj fizici, karakteriše poravnanje Fermijevih nivoa u oba metala (slika 3). Od sada su Fermijevi nivoi za metale u kontaktu isti, a radne funkcije A out1 I A out2 ne mijenjaju, tada će potencijalna energija elektrona u tačkama koje leže izvan metala u neposrednoj blizini njihove površine (tačke A i B na sl. 3) biti drugačija. Stoga se uspostavlja razlika potencijala između tačaka A i B, koja je, kao što slijedi iz slike, jednaka
Razlika potencijala zbog razlike u radnim funkcijama metala u kontaktu naziva se razlika potencijala eksternog kontakta - ∆φ vanjski ili samo kontaktnu potencijalnu razliku.
Razlika između Fermijevih nivoa u metalima u kontaktu dovodi do pojave razlika potencijala unutrašnjeg kontakta , što je jednako
.
Interna kontaktna razlika potencijala ∆φ interni zavisi od temperature T metalnog kontakta (pošto položaj E F zavisi od T), uzrokujući mnoge termoelektrične pojave. Obično ∆φ interni<<∆φ vanjski.
Kada se tri različita vodiča dovedu u kontakt, razlika potencijala između krajeva otvorenog kola nakon uspostavljanja termodinamičke ravnoteže bit će jednaka algebarskom zbiru potencijalnih razlika u svim kontaktima.
Prema konceptima elektronske teorije, provodljivost metala je posljedica prisustva slobodnih elektrona u njima. Elektroni su u stanju nasumičnog toplotnog kretanja, slično kao i haotično kretanje molekula gasa. Broj slobodnih elektrona n, zatvoren u jedinici zapremine (koncentracije), nije isti za različite metale. Za metale, koncentracije slobodnih elektrona su reda veličine 10 25 -10 27 m -3 .
Pretpostavimo da koncentracije slobodnih elektrona u metalima nisu iste - n 1 ≠ n 2. Tada će u isto vrijeme više elektrona proći kroz kontakt iz metala s višom koncentracijom elektrona nego u suprotnom smjeru (koncentracijska difuzija). U području kontakta će se pojaviti dodatna potencijalna razlika ∆φ interni. U području kontakta, koncentracija elektrona će se glatko mijenjati od n 1 prije n 2. Za obračun ∆φ interni Izdvojimo mali volumen u kontaktnoj površini, koji ima oblik cilindra sa generatorima okomitim na metalnu sučelju (slika 4), a pretpostavimo da je koncentracija elektrona prvog metala jednaka n 1 = n, a drugi ima više, tj. n 2 = n+dn.
Dalje, smatraćemo slobodne elektrone kao neki elektronski gas koji zadovoljava osnovne ideje molekularno-kinetičke teorije idealnih gasova. Pritisak str plina u dnu cilindra 1 na temperaturi T jednako:
gdje je Boltzmannova konstanta.
Pritisak na dnu cilindra 2 će prema tome biti:
Razlika pritiska duž cilindra jednaka je:
Pod uticajem razlike pritisaka, doći će do strujanja elektrona kroz metalnu sučelju iz oblasti višeg pritiska. p 2 u pravcu baze 1 (a na sl. 4). Ravnoteža će doći kada snaga dF el generirano električno polje sa intenzitetom E (slika 4) će postati jednaka sili pritiska dp×dS elektronski gas, tj.
Ako je broj elektrona u zapremini dV=dx×dS cilindar jednak dN=ndV, tada će se odrediti jačina električnog polja koje djeluje na njih:
tenzija E električno polje je numerički jednako gradijentu potencijala, tj.
Odvojene varijable
Hajde da integrišemo:
.
Budući da se koncentracije slobodnih elektrona u metalima neznatno razlikuju, vrijednost ∆φ interni znatno manja razlika potencijala ∆φ vanjski. Vrijednost ∆φ interni dostiže nekoliko desetina milivolti, dok ∆φ vanjski može biti reda veličine nekoliko volti.
Ukupna razlika potencijala u kontaktu metala, uzimajući u obzir formulu (10), određena je:
Zamislite sada zatvoreni lanac od dva razni provodnici(Sl. 5). Ukupna razlika potencijala u ovom krugu jednaka je zbroju potencijalnih razlika u kontaktima 1 i 2:
.
Kada je naznačeno na sl. Obilaznica u 3 smjera ∆φ 12 = -∆φ 21. Tada je jednadžba za cijeli krug:
Ako T1≠T2, zatim i ∆φ ≠ 0 . Algebarski zbir svih potencijalnih skokova u zatvorenom kolu jednak je elektromotornoj sili (EMF) koja djeluje u krugu. Stoga, na T1 ≠T2 u strujnom kolu (slika 5) nastaje emf, jednak prema formulama (12) i (13):
Označiti
Stoga formula (15) poprima oblik
.
Dakle, EMF u zatvorenom kolu homogenih vodiča ovisi o temperaturnoj razlici kontakata. Termo-emf - elektromotorna sila ε , koji nastaje u električnom krugu koji se sastoji od nekoliko različitih vodiča, kontakti između kojih imaju različite temperature (Seebeckov efekat). Ako postoji temperaturni gradijent duž provodnika, tada elektroni na vrućem kraju dobijaju veće energije i brzine. Štaviše, u poluvodičima koncentracija elektrona raste s temperaturom. Kao rezultat, postoji tok elektrona od vrućeg kraja do hladnog kraja, negativni naboj se akumulira na hladnom kraju, a nekompenzirani pozitivni naboj ostaje na vrućem kraju. Algebarski zbir takvih potencijalnih razlika u krugu stvara jednu od termo-EMF komponenti, koja se naziva volumetrijska.
Kontaktna razlika potencijala može doseći nekoliko volti. Zavisi od strukture provodnika (njegovih obimnih elektronskih svojstava) i od stanja njegove površine. Stoga se razlika kontaktnog potencijala može promijeniti površinskom obradom (premazi, adsorpcija, itd.).
1.2 TERMOELEKTRIČNE POJAVE
Poznato je da rad elektrona iz metala zavisi od temperature. Dakle, kontaktna razlika potencijala zavisi i od temperature. Ako temperatura kontakata zatvorenog kruga koji se sastoji od nekoliko metala nije ista, tada je ukupna e. d.s. krug neće biti jednak nuli, a električna struja nastaje u kolu. Fenomen pojave termoelektrične struje (Seebeck efekt) i srodni Peltier i Thomson efekti spadaju u termoelektrične fenomene.
SEEBECK EFFECT
Seebeckov efekat je pojava električne struje u zatvorenom kolu koji se sastoji od različitih provodnika povezanih u seriju, među kojima su kontakti različitih temperatura. Ovaj efekat je otkrio nemački fizičar T. Seebeck 1821. godine.
Zamislite zatvoreni krug koji se sastoji od dva vodiča 1 i 2 sa temperaturama spoja TA (kontakt A) i TB (kontakt B), prikazan na slici 2.
Smatramo TA > TV. Elektromotorna sila ε koja nastaje u ovom kolu jednaka je zbroju potencijalnih skokova u oba kontakta:
Stoga, u zatvorenom krugu, npr. d.s., čija je vrijednost direktno proporcionalna temperaturnoj razlici na kontaktima. Ovo je termoelektromotorna sila
(tj. d.s.).
Kvalitativno, Seebeck efekat se može objasniti na sljedeći način. Vanjske sile koje stvaraju termoelektričnu snagu su kinetičkog porijekla. Pošto su elektroni unutar metala slobodni, oni se mogu smatrati vrstom gasa. Pritisak ovog gasa mora biti isti duž cele dužine provodnika. Ako različiti dijelovi vodiča imaju različite temperature, tada je potrebna preraspodjela koncentracije elektrona da bi se izjednačio tlak. To dovodi do stvaranja struje.
Smjer struje I, prikazan na sl. 2 odgovara slučaju TA>TB, n1>n2. Ako promijenite znak temperaturne razlike kontakata, tada će se smjer struje promijeniti na suprotan.
PELTIER EFFECT
Peltierov efekat je pojava oslobađanja ili apsorpcije dodatne topline, osim džulove topline, u kontaktu dva različita provodnika, ovisno o smjeru u kojem teče. struja. Peltierov efekat je obrnut Seebeck efektu. Ako je džulova toplota direktno proporcionalna kvadratu jačine struje, tada je Peltierova toplota direktno proporcionalna jačini struje na prvi stepen i menja svoj predznak kada se promeni smer struje.
Zamislimo zatvoreno kolo koje se sastoji od dva različita metalna provodnika, kroz koja teče struja I΄ (slika 3). Neka se smjer struje I΄ poklapa sa smjerom struje I prikazanom na sl. 2 za kućište TV>TA. Kontakt A, koji bi u Seebeck efektu imao višu temperaturu, sada će se ohladiti, a kontakt B će se zagrijati. Vrijednost Peltierove topline određena je relacijom:
gdje je I΄ jačina struje, t vrijeme njenog prolaska, P je Peltierov koeficijent, koji zavisi od prirode materijala u kontaktu i temperature.
Zbog prisutnosti kontaktnih potencijalnih razlika u tačkama A i B, kontakt električna polja sa napetošću Er . U kontaktu A ovo polje je isto kao i smjer
kretanje elektrona, dok se u kontaktu B elektroni kreću protiv polja Er. Pošto su elektroni negativno nabijeni, oni se ubrzavaju u kontaktu B, što dovodi do povećanja njihove kinetičke energije. Prilikom sudara s metalnim ionima, ti elektroni im prenose energiju. Kao rezultat, unutrašnja energija u tački B se povećava i kontakt se zagrijava. IN
tačka A, naprotiv, energija elektrona opada, jer ih polje Er usporava. Shodno tome, kontakt A se hladi, jer. elektroni primaju energiju od jona na mjestima kristalne rešetke.
Koncept nuklearne energije
Velika važnost u nuklearnoj energiji stiče ne samo implementaciju lančane reakcije fisije, već i njenu kontrolu. Uređaji u kojima se provodi i održava kontrolirana lančana reakcija fisije nazivaju se nuklearnih reaktora. Prvi reaktor u svijetu pokrenut je na Univerzitetu u Čikagu (1942) pod vodstvom E. Fermija, u SSSR-u (i u Evropi) - u Moskvi (1946) pod vodstvom IV Kurčatova.
Da bismo objasnili rad reaktora, razmotrimo princip rada reaktora na termičkim neutronima (slika 345). Gorivni elementi se nalaze u jezgri reaktora 1 i moderator 2, in u kojoj se neutroni usporavaju do toplinskih brzina. Gorivni elementi (gorivi štapovi) su blokovi fisionog materijala zatvoreni u hermetičku ljusku koja slabo upija neutrone. Zbog energije oslobođene pri nuklearnoj fisiji, gorivni elementi se zagrijavaju, pa se zbog hlađenja stavljaju u tok rashladne tekućine. (3- kanal za protok rashladne tečnosti). Aktivna zona je okružena reflektorom 4, smanjenje curenja neutrona.
Lančanom reakcijom upravljaju posebne upravljačke šipke 5 od materijala jako
apsorbiraju neutrone (na primjer, B, Cd). Parametri reaktora su izračunati na način da kada su šipke potpuno ubačene, reakcija sigurno ne ide; postupnim uklanjanjem štapova faktor umnožavanja neutrona raste i na određenom položaju dostiže jedinicu. U ovom trenutku reaktor počinje da radi. Kako radi, količina fisionog materijala u jezgru se smanjuje i ono postaje kontaminirano fisionim fragmentima, među kojima mogu biti jaki apsorberi neutrona. Kako bi se spriječilo zaustavljanje reakcije, kontrolne (a često i posebne kompenzacijske) šipke postupno se uklanjaju iz jezgre pomoću automatskog uređaja. Takva kontrola reakcije je moguća zbog postojanja odloženih neutrona (vidi §265) koje emituju fisijska jezgra sa zakašnjenjem do 1 min. Kada nuklearno gorivo izgori, reakcija prestaje. Prije sljedećeg pokretanja reaktora, istrošeno nuklearno gorivo se uklanja i ubacuje novo. U reaktoru se nalaze i štapovi za hitne slučajeve, čijim se uvođenjem, uz naglo povećanje intenziteta reakcije, odmah prekida.
Nuklearni reaktor je snažan izvor prodornog zračenja (neutroni, g-zračenje), približno 10 11 puta veći od sanitarnih standarda. Dakle, svaki reaktor ima biološku zaštitu - sistem ekrana napravljenih od zaštitnih materijala (na primjer, beton, olovo, voda), smještenih iza njegovog reflektora, i daljinski upravljač.
Nuklearni reaktori su različiti:
1) po prirodi glavnih materijala u jezgru(nuklearno gorivo, moderator, rashladna tečnost); kao fisijske i sirovine
235 92 U, 239 94 Pu, 233 92 U, 238 92 U, 232 90 Th se koriste, kao moderatori - voda (obična i teška), grafit, berilijum, organske tečnosti itd., kao rashladne tečnosti - vazduh, voda, para . Ne, CO 2, itd.;
2) po prirodi raspoređivanja nuklearnih
gorivo i moderator u jezgru:homogena(obje tvari su ravnomjerno pomiješane jedna s drugom) i heterogena(obe supstance se nalaze odvojeno u obliku blokova);
3) energijom neutrona(reaktori na termičke i brze neutrone; u potonjem se koriste fisijski neutroni i uopće nema moderatora);
4) po tipu moda(kontinuirano i pulsno);
5) po dogovoru(energetika, istraživanja, reaktori za proizvodnju novih fisionih materijala, radioaktivni izotopi, itd.).
U skladu sa razmatranim karakteristikama formirani su nazivi kao što su uranijum-grafit, voda-voda, grafit-gas itd.
Među nuklearnim reaktorima posebno mjesto zauzimaju elektrane. reaktori za razmnožavanje. IN njima uz proizvodnju električne energije dolazi i do procesa reprodukcije nuklearnog goriva uslijed reakcije (265.2) ili (266.2). To znači da se ne koristi samo izotop 235 92 U u reaktoru na prirodnom ili nisko obogaćenom uranu. , ali i izotop 238 92 U. Trenutno su reaktori na brzim neutronima osnova nuklearne energetike sa proizvodnjom goriva.
U SSSR-u je prvi put korištena nuklearna energija u miroljubive svrhe. U Obninsku, pod vodstvom I. V. Kurchatova, puštena je u rad prva nuklearna elektrana snage 5 MW (1954). Princip rada nuklearne elektrane na bazi vodenog reaktora pod pritiskom prikazan je na sl. 346. Uranijumski blokovi 1 uronjen u vodu 2, koji služi i kao moderator i kao rashladno sredstvo. jao-
voda za čaj (pod pritiskom je i zagrijana na 300°C) iz gornjeg dijela jezgre reaktora ulazi kroz cjevovod 3 u generator pare 4, .gdje isparava i hladi, te se kroz cjevovod 5a vraća u reaktor. Zasićena para 6 kroz cjevovod 7 ulazi u parnu turbinu 8, vraća se nakon rada kroz cjevovod 9 do generatora pare. Turbina rotira električni generator 10, struja iz koje teče u električnu mrežu.
Stvaranje nuklearnih reaktora dovelo je do industrijske primjene nuklearne energije. Energetske rezerve nuklearnog goriva u rudama su otprilike dva reda veličine veće od rezervi hemijskih goriva. Dakle, ako će se, kako se očekuje, glavnina električne energije proizvoditi u nuklearnim elektranama, onda će to, s jedne strane, smanjiti cijenu električne energije koja je sada uporediva s onom koja se proizvodi u termoelektranama, a na sa druge strane, rešiće energetski problem za nekoliko vekova i omogućiti korišćenje trenutno sagorene nafte i gasa kao vredne sirovine za hemijsku industriju.
U SSSR-u, pored stvaranja moćnih nuklearnih elektrana (na primjer, Novovoroiyezhskaya ukupne snage oko 1500 MW, prva faza Lenjingradske nazvane po VI Lenjinu sa dva reaktora od 1000 MW svaki), velika se pažnja posvećuje plaćeno za stvaranje malih nuklearnih elektrana (750-1500 kW), pogodnih za specifične uslove, kao i za rješavanje problema male nuklearne energije. Tako su izgrađene prve mobilne nuklearne elektrane na svijetu, stvoren je prvi svjetski reaktor (Romashka) u kojem se uz pomoć poluprovodnika toplotna energija direktno pretvara u električnu energiju (jezgra sadrži 49 kg 235 92 U, toplotna snaga reaktora je 40 kW, električne - 0,8 kW) itd.
Ogromne mogućnosti za razvoj nuklearne energije otvaraju se stvaranjem reaktora brzih neutrona (uzgajivači), u kojoj je proizvodnja energije praćena proizvodnjom sekundarnog goriva - plutonijuma, čime će se radikalno riješiti problem nabavke nuklearnog goriva. Procjene pokazuju da 1 tona granita sadrži približno 3 g 23892 U i 12 g 23290 Th (koriste se kao sirovina u reaktorima za razmnožavanje), tj. sa potrošnjom energije od 5 10 8 MW (dva reda veličine veća nego sada), rezerve uranijuma i torija u granitu će biti dovoljne za 10 9
godine po perspektivnoj cijeni od 1 kWh energije 0,2 kopejki.
Tehnologija reaktora na brzim neutronima je u procesu traženja najboljih inženjerskih rješenja. Prvo pilot postrojenje ovog tipa sa kapacitetom od 350 MW izgrađeno je u gradu Ševčenko na obali Kaspijskog mora. Koristi se za proizvodnju električne energije i desalinizaciju morska voda, koji obezbjeđuje vodu za grad i susjedno područje proizvodnje nafte sa populacijom od oko 150.000 ljudi. NPP Ševčenko označila je početak nove "nuklearne industrije" - desalinacije slane vode, koja zbog nedostatka slatkovodnih resursa u mnogim područjima može biti od velikog značaja.
| . |
Sastav jezgra atoma
Godine 1932 nakon otkrića protona i neutrona od strane naučnika D.D. Ivanenko (SSSR) i W. Heisenberg (Njemačka) su predložili proton-neutronmodelatomsko jezgro.
Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) se naziva maseni broj
A: A = Z + N
. Jezgra hemijskih elemenata su označena simbolom:
X je hemijski simbol elementa.
Na primjer, vodonik
Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara. Broj protona koji čine atomsko jezgro je označen simbolom Z i nazovi broj naplate (ovo je redni broj u periodnom sistemu Mendeljejeva). Nuklearni naboj je Ze , gdje e je elementarni naboj. Broj neutrona je označen simbolom N .
nuklearne snage
Da bi atomska jezgra bila stabilna, protone i neutrone moraju držati unutar jezgara ogromne sile, mnogo puta veće od Kulonovih odbojnih sila protona. Zovu se sile koje drže nukleone u jezgru nuklearna . One su manifestacija najintenzivnije od svih vrsta interakcija poznatih u fizici - takozvane snažne interakcije. Nuklearne sile su oko 100 puta veće od elektrostatičkih sila i za desetine redova veličine veće od sila gravitacijske interakcije nukleona.
Nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:
- imaju privlačne snage
- je sile kratkog dometa(pojavljuju se na malim udaljenostima između nukleona);
- nuklearne sile ne ovise o prisutnosti ili odsustvu električnog naboja na česticama.
Defekt mase i energija vezivanja jezgre atoma
Najvažniju ulogu u nuklearnoj fizici ima koncept nuklearna energija vezivanja .
Energija vezivanja jezgra jednaka je minimalnoj energiji koja se mora potrošiti za potpuno cijepanje jezgra na pojedinačne čestice. Iz zakona održanja energije proizilazi da je energija veze jednaka energiji koja se oslobađa prilikom formiranja jezgra iz pojedinih čestica.
Energija vezivanja bilo kojeg jezgra može se odrediti preciznim mjerenjem njegove mase. U ovom trenutku, fizičari su naučili da mjere mase čestica - elektrona, protona, neutrona, jezgara itd. - sa vrlo visokom preciznošću. Ova mjerenja to pokazuju masa bilo kog jezgra M i je uvijek manji od zbira masa njegovih sastavnih protona i neutrona: 
Masovna razlika se zove defekt mase. Zasnovano na defektu mase pomoću Einsteinove formule E = mc 2, moguće je odrediti energiju oslobođenu tokom formiranja datog jezgra, tj. energiju vezivanja jezgra E St:
Ova energija se oslobađa tokom formiranja jezgra u obliku zračenja γ-kvanta.
Nuklearna energija
U našoj zemlji prva nuklearna elektrana na svijetu izgrađena je i puštena u rad 1954. godine u SSSR-u, u gradu Obninsku. Razvija se izgradnja moćnih nuklearnih elektrana. U Rusiji trenutno radi 10 nuklearnih elektrana. Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, poduzete su dodatne mjere kako bi se osigurala sigurnost nuklearnih reaktora.