MINISTERUL EDUCAȚIEI AL FEDERĂȚIA RUSĂ

STATUL BLAGOVESCHENSKY

UNIVERSITATEA PEDAGOGICĂ

Departamentul de Fizică Generală

Energie de legare și defect de masă

munca de curs

Completat de: elev în anul III FMF, grupa „E”, Subminat de A.N.

Verificat de: profesor asociat Karatsuba L.P.

Blagoveșcensk 2000
Conţinut

§unu. Defect de masă - Caracteristic

nucleu atomic, energie de legare ................................................ .............. 3

§ 2 Metode spectroscopice de masă

măsurători de masă și echipamente .................................................. ............. .............. 7

§ 3 . Formule semiempirice pentru

calculul maselor de nuclee și al energiilor de legare ale nucleelor ................................. 12

clauza 3.1. Formule semi-empirice vechi.............................. 12

clauza 3.2. Noi formule semi-empirice

ținând cont de influența obuzelor ................................................. ... ..... şaisprezece

Literatură................................................. ................................................. . 24

§unu. Defectul de masă este o caracteristică a nucleului atomic, energia de legare.

Problema greutății atomice non-întregi a izotopilor a îngrijorat oamenii de știință multă vreme, dar teoria relativității, după ce a stabilit o legătură între masa și energia unui corp ( E=mc 2), a dat cheia rezolvării acestei probleme, iar modelul proton-neutron al nucleului atomic s-a dovedit a fi lacătul în care se potrivește această cheie. Pentru a rezolva această problemă, vor fi necesare câteva informații despre masele particulelor elementare și nucleelor ​​atomice (Tabelul 1.1).

Tabelul 1.1

Masa și greutatea atomică a unor particule

(Masele nuclizilor și diferențele lor sunt determinate empiric folosind: măsurători spectroscopice de masă; măsurători ale energiilor diferitelor reacții nucleare; măsurători ale energiilor descompunerilor β și α; măsurători cu microunde, dând raportul maselor sau diferențele acestora. )

Să comparăm masa unei particule a, adică. nucleu de heliu, cu o masă de doi protoni și doi neutroni, din care este compus. Pentru a face acest lucru, scădem masa particulei a din suma masei dublate a protonului și a masei dublate a neutronului și numim valoarea obținută în acest fel defect de masă

D m=2M p +2M n-M A =0,03037 a.u.m. (1.1)

Unitatea de masă atomică

m a.u.m. = ( 1,6597 ± 0,0004 ) ´ 10 -27 kg. (1.2)

Folosind formula relației dintre masă și energie realizată de teoria relativității, se poate determina cantitatea de energie care corespunde acestei mase și o poate exprima în jouli sau, mai convenabil, în megaelectronvolți ( 1 MeV=106 eV). 1 MeV corespunde energiei dobândite de un electron care trece printr-o diferență de potențial de un milion de volți.

Energia corespunzătoare unei unități de masă atomică este

E=m a.u.m. × c 2 \u003d 1,6597 × 10 -27 × 8,99 × 10 16 =1,49 × 10-10 J = 931 MeV. (1.3)

Atomul de heliu are un defect de masă ( D m = 0,03037 umă) înseamnă că energie a fost emisă în timpul formării sale ( E= D ms 2 = 0,03037 × 931=28 MeV). Această energie trebuie aplicată nucleului unui atom de heliu pentru a-l descompune în particule individuale. În consecință, o particulă are o energie de patru ori mai mică. Această energie caracterizează puterea miezului și este caracteristica sa importantă. Se numește energia de legare per particulă sau per nucleon ( R). Pentru nucleul unui atom de heliu p=28/4=7 MeV, pentru alte nuclee are o valoare diferită.

În anii 1940, datorită muncii lui Aston, Dempster și alți oameni de știință, valorile defectului de masă au fost determinate cu mare precizie, iar energiile de legare au fost calculate pentru un număr de izotopi. În Fig. 1.1, aceste rezultate sunt prezentate sub forma unui grafic, pe care greutatea atomică a izotopilor este reprezentată grafic de-a lungul abscisei, iar energia medie de legare a particulei din nucleu este reprezentată de-a lungul ordonatei.

Analiza acestei curbe este interesantă și importantă, deoarece din ea, și foarte clar, este clar care procese nucleare dau un randament mare de energie. În esență, energia nucleară a Soarelui și a stelelor, a centralelor nucleare și a armelor nucleare este realizarea posibilităților inerente raporturilor pe care le arată această curbă. Are mai multe zone caracteristice. Pentru hidrogenul ușor, energia de legare este zero, deoarece există o singură particulă în nucleul său. Pentru heliu, energia de legare per particulă este de 7 MeV. Astfel, trecerea de la hidrogen la heliu este asociată cu un salt major de energie. Izotopii cu greutate atomică medie: fier, nichel etc., au cea mai mare energie de legare a particulelor din nucleu (8,6 MeV) și, în consecință, nucleele acestor elemente sunt cele mai durabile. Pentru elementele mai grele, energia de legare a particulei din nucleu este mai mică și, prin urmare, nucleele lor sunt relativ mai puțin puternice. Nucleul atomului de uraniu-235 aparține de asemenea unor astfel de nuclee.

Cu cât defectul de masă al nucleului este mai mare, cu atât energia emisă în timpul formării lui este mai mare. În consecință, o transformare nucleară, în care defectul de masă crește, este însoțită de o emisie suplimentară de energie. Figura 1.1 arată că există două zone în care sunt îndeplinite aceste condiții: trecerea de la izotopii cei mai ușori la cei mai grei, cum ar fi de la hidrogen la heliu, și trecerea de la cei mai grei, precum uraniul, la nucleele atomilor de medie. greutate.

Există, de asemenea, o cantitate frecvent utilizată care conține aceleași informații ca defectul de masă - factor de ambalare (sau multiplicator). Factorul de împachetare caracterizează stabilitatea miezului, graficul acestuia este prezentat în Figura 1.2.

Orez. 1.2. Dependența factorului de ambalare de numărul de masă

§ 2. Metode de măsurare prin spectroscopie de masă

mase si echipamente.

Cele mai precise măsurători ale maselor de nuclizi, realizate prin metoda dubletului și utilizate pentru calcularea maselor, au fost efectuate pe spectroscoape de masă cu dublă focalizare și pe un dispozitiv dinamic - un sincrometru.

Unul dintre spectrografele de masă sovietice cu dublă focalizare de tip Bainbridge-Iordan a fost construit de M. Ardenne, G. Eger, R. A. Demirkhanov, T. I. Gutkin și V. V. Dorokhov. Toate spectroscoapele de masă cu focalizare duală au trei părți principale: o sursă de ioni, un analizor electrostatic și un analizor magnetic. Un analizor electrostatic descompune un fascicul de ioni în energie într-un spectru, din care o fantă decupează o anumită parte centrală. Un analizor magnetic concentrează ionii de energii diferite la un moment dat, deoarece ionii cu energii diferite parcurg căi diferite într-un câmp magnetic sectorial.

Spectrele de masă sunt înregistrate pe plăci fotografice amplasate în cameră. Scara instrumentului este aproape exact liniară, iar atunci când se determină dispersia în centrul plăcii, nu este nevoie să se aplice formula cu un termen pătratic de corecție. Rezoluția medie este de aproximativ 70.000.

Un alt spectrograf de masă intern a fost proiectat de V. Schütze cu participarea lui R. A. Demirkhanov, T. I. Gutkin, O. A. Samadashvili și I. K. Karpenko. A fost folosit pentru a măsura masele nuclizilor de staniu și antimoniu, ale căror rezultate sunt utilizate în tabelele de masă. Acest instrument are o scară pătratică și oferă o focalizare dublă pentru întreaga scară de masă. Rezoluția medie a dispozitivului este de aproximativ 70.000.

Dintre spectroscoapele de masă străine cu focalizare dublă, cel mai precis este noul spectrometru de masă Nir-Roberts cu focalizare dublă și o nouă metodă de detectare a ionilor (Fig. 2.1). Are un analizor electrostatic de 90 de grade cu o rază de curbură Re=50,8 cmși un analizor magnetic de 60 de grade cu o rază de curbură a axei fasciculului ionic

Rm = 40,6 cm.

Orez. 2.1. Spectrometru de masă Nier-Roberts mare cu focalizare duală de la Universitatea din Minnese:

1 – sursa de ioni; 2 – analizor electrostatic; 3 – analizor magnetic; 4 – multiplicator electronic pentru înregistrarea curentă; S 1 - fantă de intrare; S2 – fantă de deschidere; S 3 - fantă în planul imaginii analizorului electrostatic; S4 este o fantă în planul imaginii analizorului magnetic.

Ionii produși în sursă sunt accelerați de diferența de potențial U a =40 mpși concentrați-vă pe fanta de intrare S1 aproximativ 13 lățime um; aceeași lățime a slotului S4 , pe care este proiectată imaginea cu fantă S1 . fantă de deschidere S2 are o latime de aproximativ 200 micron, slot S3 , pe care imaginea slotului este proiectată de analizorul electrostatic S1 , are o latime de aproximativ 400 µm.În spatele golului S3 o sondă este amplasată pentru a facilita selecția relațiilor U a / U d , adică potenţial de accelerare U a sursa de ioni și potențialele analizorului U d .

Pe decalaj S4 un analizor magnetic proiectează o imagine a sursei de ioni. Curent ionic cu o putere de 10 - 12 - 10 - 9 A înregistrat de un multiplicator de electroni. Puteți regla lățimea tuturor fantelor și le puteți muta din exterior fără a perturba vidul, ceea ce facilitează alinierea instrumentului.

Diferența esențială dintre acest dispozitiv și cele anterioare este utilizarea unui osciloscop și desfășurarea unei secțiuni a spectrului de masă, care a fost folosit pentru prima dată de Smith pentru un sincrometru. În acest caz, impulsurile de tensiune din dinți de ferăstrău sunt utilizate simultan pentru a muta fasciculul în tubul osciloscopului și pentru a modula câmpul magnetic din analizor. Adâncimea de modulație este aleasă astfel încât spectrul de masă să se desfășoare la fantă de aproximativ două ori lățimea unei linii dublete. Această desfășurare instantanee a vârfului de masă facilitează foarte mult focalizarea.

După cum se știe, dacă masa unui ion M schimbat în Δ M , atunci pentru ca traiectoria ionilor într-un anumit câmp electromagnetic să rămână aceeași, toate potențialele electrice ar trebui modificate la Δ MM o singura data. Astfel, pentru trecerea de la o componentă ușoară a dubletului cu masă M la o altă componentă având o masă de Δ M mare, aveți nevoie de diferența de potențial inițială aplicată analizorului U d , și la sursa de ioni U a , schimba in consecinta Δ U d și Δ U a astfel încât

(2.1)

Prin urmare, diferența de masă Δ M dubletul poate fi măsurat prin diferența de potențial Δ U d , necesar să se concentreze în loc de o componentă a dubletului alta.

Diferența de potențial se aplică și se măsoară conform circuitului prezentat în fig. 2.2. Toate rezistentele cu exceptia R*, manganin, referință, închis într-un termostat. R=R" =3 371 630 ± 65 ohm. Δ R poate varia de la 0 la 100000 Om, deci atitudine Δ R/R cunoscut în 1/50000. Rezistența ∆ R selectat astfel încât atunci când releul este în contact DAR , pe crăpătură S4 , se dovedește că o linie a dubletului este focalizată, iar când releul este pe contact LA - încă o linie de dublet. Releul are acțiune rapidă, comută după fiecare ciclu de măturare în osciloscop, astfel încât să puteți vedea ambele mături pe ecran în același timp. linii dublete. Schimbare potențială Δ U d , cauzate de rezistența adăugată Δ R , poate fi considerat potrivit dacă ambele scanări se potrivesc. În acest caz, un alt circuit similar cu un releu sincronizat ar trebui să ofere o modificare a tensiunii de accelerare U a pe Δ U a astfel încât

(2.2)

Apoi diferența de masă a dubletului Δ M poate fi determinată prin formula de dispersie

Frecvența de baleiaj este de obicei destul de mare (de exemplu, 30 sec -1), prin urmare, zgomotul sursei de tensiune ar trebui să fie menținut la un nivel minim, dar stabilitatea pe termen lung nu este necesară. În aceste condiții, bateriile sunt sursa ideală.

Puterea de rezoluție a sincrometrului este limitată de cerințele curenților de ioni relativ mari, deoarece frecvența de baleiaj este mare. În acest dispozitiv cea mai mare valoare puterea de rezolvare - 75000, dar, de regulă, este mai mică; cea mai mică valoare este 30000. O astfel de putere de rezoluție face posibilă separarea ionilor principali de ionii de impurități în aproape toate cazurile.

În timpul măsurătorilor, s-a presupus că eroarea constă dintr-o eroare statistică și o eroare cauzată de inexactitatea calibrării rezistenței.

Înainte de a începe funcționarea spectrometrului și la determinarea diferitelor diferențe de masă, au fost efectuate o serie de măsurători de control. Astfel, dubletele de control au fost măsurate la anumite intervale de funcționare a instrumentului. O2- Sși C2H4- ASA DE, în urma căreia s-a constatat că de câteva luni nu s-au produs modificări.

Pentru a verifica liniaritatea scalei, aceeași diferență de masă a fost determinată la numere de masă diferite, de exemplu, prin dublete CH 4 - O , C2H4-COși ½ (C3H8-C02).În urma acestor măsurători de control, s-au obținut valori care diferă între ele doar în limitele erorilor. Această verificare a fost făcută pentru patru diferențe de masă și acordul a fost foarte bun.

Corectitudinea rezultatelor măsurătorilor a fost confirmată și prin măsurarea a trei diferențe în masele tripleților. Suma algebrică a celor trei diferențe de masă din triplet trebuie să fie egală cu zero. Rezultatele unor astfel de măsurători pentru trei tripleți la numere de masă diferite, adică în părți diferite scalele s-au dovedit satisfăcătoare.

Ultima și foarte importantă măsurătoare de control pentru verificarea corectitudinii formulei de dispersie (2.3) a fost măsurarea masei atomului de hidrogen la numere de masă mari. Această măsurătoare a fost făcută o dată pt DAR =87, ca diferență între masele dubletei C4H8O 2 – C4H7 O2. Rezultate 1,00816±2 A. mânca. cu o eroare de până la 1/50000 sunt în concordanță cu masa măsurată H, egal cu 1,0081442±2 A. mânca.,în cadrul erorii de măsurare a rezistenței Δ R și erori de calibrare a rezistenței pentru această parte a scalei.

Toate aceste cinci serii de măsurători de control au arătat că formula de dispersie este potrivită pentru acest instrument, iar rezultatele măsurătorilor sunt destul de fiabile. Datele din măsurătorile efectuate cu acest instrument au fost utilizate pentru alcătuirea tabelelor.

§ 3 . Formule semi-empirice pentru calcularea maselor nucleelor ​​și a energiilor de legare ale nucleelor .

clauza 3.1. Vechi formule semi-empirice.

Odată cu dezvoltarea teoriei structurii nucleului și aspectului diverse modele nuclee, au apărut încercări de a crea formule pentru calcularea maselor nucleelor ​​și a energiilor de legare ale nucleelor. Aceste formule se bazează pe idei teoretice existente despre structura nucleului, dar coeficienții din ele sunt calculați din masele experimentale găsite ale nucleelor. Astfel de formule, parțial bazate pe teorie și parțial derivate din date experimentale, sunt numite formule semi-empirice .

Formula semi-empirica a masei este:

M(Z, N)=Zm H + Nm n -E B (Z, N), (3.1.1)

Unde M(Z,N) este masa nuclidului Z protoni şi N – neutroni; m H este masa nuclidului H 1 ; m n este masa neutronilor; E B (Z, N) este energia de legare a nucleului.

Această formulă, bazată pe modelele statistice și cu picături ale nucleului, a fost propusă de Weizsäcker. Weizsäcker a enumerat legile schimbării în masă cunoscute din experiență:

1. Energiile de legare ale celor mai ușoare nuclee cresc foarte rapid cu numărul de masă.

2. Legături de energii E B a tuturor nucleelor ​​medii și grele cresc aproximativ liniar cu numărul de masă DAR .

3. E B /DAR nucleii usori cresc la DAR ≈60.

4. Energiile medii de legare per nucleon E B /DAR nuclee mai grele după DAR ≈60 descrește încet.

5. Nucleii cu un număr par de protoni și un număr par de neutroni au energii de legare puțin mai mari decât nucleele cu un număr impar de nucleoni.

6. Energia de legare tinde la maxim în cazul în care numărul de protoni și neutroni din nucleu este egal.

Weizsacker a luat în considerare aceste regularități atunci când a creat o formulă semi-empirică pentru energia de legare. Bethe și Becher au simplificat oarecum această formulă:

E B (Z, N)=E 0 +E I +E S +E C +E P . (3.1.2)

și este adesea numită formula Bethe-Weizsacker. Primul membru E 0 este partea de energie proporțională cu numărul de nucleoni; E eu este termenul izotopic sau izobaric al energiei de legare, arătând modul în care energia nucleelor ​​se modifică la abaterea de la linia celor mai stabile nuclee; E S este suprafața sau energia liberă a picăturii de lichid nucleon; E C este energia Coulomb a nucleului; E R - puterea aburului.

Primul termen este

E 0 \u003d αA . (3.1.3)

Termen izotopic E eu este funcția de diferență N–Z . pentru că influenţa sarcinii electrice a protonilor este asigurată de termenul E Cu , E eu este o consecință numai a forțelor nucleare. Independența de sarcină a forțelor nucleare, care este resimțită mai ales în nucleele ușoare, duce la faptul că nucleele sunt cele mai stabile la N=Z . Întrucât scăderea stabilității nucleelor ​​nu depinde de semn N–Z , dependență E eu din N–Z trebuie să fie cel puțin pătratică. Teoria statistică oferă următoarea expresie:

E eu = –β( N–Z ) 2 DAR –1 . (3.1.4)

Energia de suprafață a unei picături cu un coeficient de tensiune superficială σ este egal cu

E S =4π r 2 σ. (3.1.5)

Termenul Coulomb este energia potențială a unei bile încărcate uniform pe întregul volum cu o sarcină Ze :

(3.1.6)

Substituind în ecuațiile (3.1.5) și (3.1.6) raza miezului r=r 0 A 1/3 , primim

(3 .1.7 )

(3.1.8)

și substituind (3.1.7) și (3.1.8) în (3.1.2), obținem

. (3.1.9)

Constantele α, β și γ sunt selectate astfel încât formula (3.1.9) să satisfacă cel mai bine toate valorile energiilor de legare calculate din datele experimentale.

Al cincilea termen, reprezentând energia perechii, depinde de paritatea numărului de nucleoni:

(3 .1.11 )

DAR

Din păcate, această formulă este destul de depășită: discrepanța cu valorile reale ale maselor poate ajunge chiar și la 20 MeV și are o valoare medie de aproximativ 10 MeV.

În numeroase lucrări ulterioare, inițial au fost rafinați doar coeficienții sau au fost introduși niște termeni suplimentari nu foarte importanți. Metropolis și Reitwiesner au rafinat și mai mult formula Bethe–Weizsäcker:

M(A, Z) = 1,01464A + 0,014A 2/3 + +0,041905 + π0,036A -3/4

(3.1.12)

Pentru nuclizii pare π = –1; pentru nuclizi cu impar DAR pi = 0; pentru nuclizi impari π = +1.

Wapstra a propus să ia în considerare influența scoici folosind un termen de această formă:

(3.1.13)

Unde A i , Z i și Wi sunt constante empirice, selectate în funcție de datele experimentale pentru fiecare înveliș.

Green și Edwards au introdus următorul termen în formula de masă, care caracterizează efectul cochiliilor:

(3.1.14)

Unde α i , α j și K ij - constante obtinute din experienta; şi - valori medii N și Z într-un interval dat între cochilii umplute.

clauza 3.2. Noi formule semi-empirice ținând cont de influența shell-urilor

Cameron a pornit de la formula Bethe-Weizsäcker și a reținut primii doi termeni ai formulei (3.1.9). Termenul energiei de suprafață E S (3.1.7) a fost modificat.

Orez. 3.2.1. Distribuția densității materiei nucleare ρ dupa Cameron in functie de distanta pana la centrul nucleului. DAR -raza medie a miezului; Z - jumătate din grosimea stratului superficial al nucleului.

Când luăm în considerare împrăștierea electronilor pe nuclee, putem concluziona că distribuția densității materiei nucleare în nucleu ρ n trapezoidal (Fig. 16). Pentru raza medie a miezului t puteți lua distanța de la centru până la punctul în care densitatea scade la jumătate (vezi Fig. 3.2.1). Ca urmare a prelucrării experimentelor lui Hofstadter. Cameron a propus următoarea formulă pentru raza medie a nucleelor:

El crede că energia de suprafață a nucleului este proporțională cu pătratul razei medii r2 , și introduce o corecție propusă de Finberg, care ține cont de simetria nucleului. Potrivit lui Cameron, energia de suprafață poate fi exprimată după cum urmează:

În afară de. Cameron a introdus al cincilea termen de schimb Coulomb, care caracterizează corelația în mișcarea protonilor din nucleu și probabilitatea scăzută de apropiere a protonilor. membru de schimb

Astfel, excesul de mase, conform lui Cameron, va fi exprimat astfel:

M - A \u003d 8.367A - 0,783Z + αA +β +

+ E S + E C + E α = P (Z, N). ( 3 .2.5)

Înlocuirea valorilor experimentale M-A folosind metoda celor mai mici pătrate, am obținut următoarele valori cele mai fiabile ale coeficienților empilici (în Mev):

a=-17,0354; p=-31,4506; y=25,8357; φ=44,2355. (3.2.5a)

Acești coeficienți au fost utilizați pentru a calcula masele. Discrepanțele dintre masele calculate și cele experimentale sunt prezentate în Fig. 3.2.2. După cum puteți vedea, în unele cazuri discrepanțele ajung la 8 Mev. Sunt deosebit de mari în nuclizi cu învelișuri închise.

Cameron a introdus termeni suplimentari: un termen care ține cont de influența obuzelor nucleare S(Z, N), si membru P(Z, N) , caracterizând energia perechii şi ţinând cont de modificarea masei în funcţie de paritate N și Z :

M-A=P( Z , N)+S(Z, N)+P(Z, N). (3.2.6)

Orez. 3.2.2. Diferențele dintre valorile maselor calculate prin formula de bază a lui Cameron (3.2.5) și valorile experimentale ale acelorași mase în funcție de numărul de masă DAR .

În același timp, de când teoria nu poate oferi un fel de termeni care să reflecte unele schimbări spasmodice în mase, el le-a combinat într-o singură expresie

T(Z, N)=S(Z, N)+P(Z. N). (3.2.7)

T(Z, N)=T(Z) +T(N). (3.2.8)

Aceasta este o sugestie rezonabilă, deoarece datele experimentale confirmă că învelișurile de protoni sunt umplute independent de cele cu neutroni, iar energiile perechilor pentru protoni și neutroni în prima aproximare pot fi considerate independente.

Pe baza tabelelor de masă ale lui Wapstra și Huizeng, Cameron a compilat tabele de corecții T(Z ) și T(N) pe paritate și umplere de scoici.

G. F. Dranitsyna, folosind noi măsurători ale maselor lui Bano, R. A. Demirkhanov și numeroase măsurători noi ale dezintegrarilor β și α, a rafinat valorile corecțiilor T(Z) și T(N) în zona pământurilor rare de la Ba la Pb. Ea a alcătuit noi tabele cu masele în exces (M-A), calculată prin formula Cameron corectată în această regiune. Tabelele arată, de asemenea, energiile nou calculate ale descompunerilor β ale nuclizilor din aceeași regiune (56≤ Z ≤82).

Formule semi-empirice vechi care acoperă întreaga gamă DAR , se dovedesc a fi prea inexacte și dau discrepanțe foarte mari cu masele măsurate (de ordinul a 10 Mev). Crearea de către Cameron a tabelelor cu peste 300 de amendamente a redus discrepanța la 1 mev, dar discrepanțele sunt încă de sute de ori mai mari decât erorile de măsurare a maselor și diferențele lor. Apoi a apărut ideea de a împărți întreaga zonă a nuclizilor în sub-zone și pentru fiecare dintre ele să creeze formule semi-empirice cu aplicare limitată. O astfel de cale a fost aleasă de Levy, care, în loc de o singură formulă cu coeficienți universali, potrivite pentru toți DAR și Z , a propus o formulă pentru secțiuni individuale ale secvenței de nuclizi.

Prezența unei dependențe parabolice de Z a energiei de legare a nuclizilor izobari necesită ca formula să conțină termeni până la a doua putere inclusiv. Deci Levy a propus această funcție:

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)

Unde α 0 , α 1 , α 2 , α 3 , α 4 , α 5 sunt coeficienți numerici găsiți din date experimentale pentru unele intervale și δ este un termen care ține cont de împerecherea nucleonilor și depinde de paritate N și Z .

Toate masele de nuclizi au fost împărțite în nouă subregiuni, limitate de învelișuri și subînvelișuri nucleare, iar valorile tuturor coeficienților formulei (3.2.9) au fost calculate din datele experimentale pentru fiecare dintre aceste subregiuni. Valorile coeficienților găsiți ta și termenul δ , determinate de paritate, sunt date în tabel. 3.2.1 și 3.2.2. După cum se poate observa din tabele, au fost luate în considerare nu numai învelișuri de 28, 50, 82 și 126 de protoni sau neutroni, ci și subcochilii de 40, 64 și 140 de protoni sau neutroni.

Tabelul 3.2.1

Coeficienții α din formula Levy (3.2.9), ma. mânca(16 O = 16)

Z	N	α 0	α 1	α2	α 3	α4	α5

Tabelul 3.2.2

Termenul δ din formula Lévy (3.2.9), definit prin paritate, ma. mânca. ( 16 O \u003d 16)

Z	N	δ la
		chiar Z și chiar N	ciudat Zși ciudat N	ciudat Zși chiar N	chiar Z și ciudat N

Folosind formula lui Levy cu acești coeficienți (vezi tabelele 3.2.1 și 3.2.2), Riddell a calculat un tabel de mase pentru aproximativ 4000 de nuclizi pe un calculator electronic. Comparația a 340 de valori experimentale de masă cu cele calculate folosind formula (3.2.9) a arătat o concordanță bună: în 75% din cazuri discrepanța nu depășește ±0,5 ma. mânca.,în 86% din cazuri - nu mai mult ± 1,0ma.e.m. iar în 95% din cazuri nu depăşeşte ±1,5 ma. mânca. Pentru energia β-degradărilor, acordul este și mai bun. În același timp, Levy are doar 81 de coeficienți și termeni constanți, în timp ce Cameron are peste 300 dintre ei.

Termeni de corectare T(Z) și T(N ) în formula Levy sunt înlocuite în secțiuni separate între cochilii cu o funcție pătratică a Z sau N . Acest lucru nu este surprinzător, deoarece între ambalajele de funcție T(Z)și T(N) sunt funcții netede Zși Nşi nu au trăsături care să nu permită reprezentarea lor pe aceste secţiuni prin polinoame de gradul II.

Zeldes ia în considerare teoria învelișurilor nucleare și aplică un nou număr cuantic s - așa-numitul vechime in munca (vechimea) introdus de Rac. număr cuantic" vechime in munca " nu este un număr cuantic exact; coincide cu numărul de nucleoni neperechi din nucleu sau, în caz contrar, este egal cu numărul tuturor nucleonilor din nucleu minus numărul de nucleoni perechi cu impuls zero. În starea fundamentală în toate nucleele pare s=0;în nuclee cu impar A s=1 iar în nuclee impare s= 2 . Folosind numărul cuantic „ vechime in munca ” și forțe delta extrem de scurte, Zeldes a arătat că o formulă ca (3.2.9) este în concordanță cu așteptările teoretice. Toți coeficienții formulei Levy au fost exprimați de Zeldes în termeni de diverși parametri teoretici ai nucleului. Astfel, deși formula lui Levy a apărut ca pur empirică, rezultatele cercetărilor lui Zeldes au arătat că poate fi considerată semi-empiric, ca toate cele anterioare.

Formula lui Levy, aparent, este cea mai bună dintre cele existente, dar are un dezavantaj semnificativ: este slab aplicabilă la limita domeniilor coeficienților. Este despre Z și N , egală cu 28, 40, 50, 64, 82, 126 și 140, formula Levy dă cele mai mari discrepanțe, mai ales dacă din aceasta se calculează energiile dezintegrarilor β. În plus, coeficienții formulei Levy sunt calculați fără a lua în considerare cele mai noi valori mase si, aparent, ar trebui specificate. Potrivit lui B. S. Dzhelepov și G. F. Dranitsyna, acest calcul ar trebui să reducă numărul de subdomenii cu seturi diferite de coeficienți α și δ , eliminând subshell-uri Z =64 și N =140.

Formula lui Cameron conține multe constante. De același neajuns suferă și formula Becker. În prima versiune a formulei Becker, pe baza faptului că forțele nucleare sunt cu rază scurtă și au proprietatea de saturație, au presupus că nucleul ar trebui împărțit în nucleoni externi și partea interioară, care conțin cochilii umplute. Ei au acceptat că nucleonii exteriori nu interacționează între ei, în afară de energia eliberată în timpul formării perechilor. Din acest model simplu rezultă că nucleonii de aceeași paritate au o energie de legare datorată legării la miez, în funcție doar de excesul de neutroni I=N -Z . Astfel, pentru energia de legare se propune prima versiune a formulei

E B = b "( eu) DAR + A" ( eu) + P " (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S"(A, I)+R"(A, eu) , (3. 2.1 0 )

Unde R" - termen de împerechere dependent de paritate N și Z ; S" - corectare pentru efectul de coajă; R" - rest mic.

În această formulă, este esențial să presupunem că energia de legare per nucleon, egală cu b" , depinde doar de excesul de neutroni eu . Aceasta înseamnă că secțiunile transversale ale suprafeței de energie de-a lungul liniilor eu=N- Z , cele mai lungi secțiuni care conțin 30-60 de nuclizi ar trebui să aibă aceeași pantă, i.e. ar trebui să fie o linie dreaptă. Datele experimentale confirmă destul de bine această presupunere. Ulterior, soții Becker au completat această formulă cu încă un termen :

E B = b ( eu) DAR + A( eu) + c(A)+P (A, I)[(-1) N +(-1) Z ]+S(A, I)+R(A, I). ( 3. 2.1 1 )

Comparând valorile obținute prin această formulă cu valorile experimentale ale maselor Wapstra și Huizeng și egalându-le folosind metoda celor mai mici pătrate, Becker a obținut o serie de valori ale coeficientului bși A pentru 2≤ eu ≤58 și 6≤ A ≤258, adică mai mult de 400 de constante digitale. Pentru membri R , paritate N și Z , au adoptat şi un ansamblu de valori empirice.

Pentru reducerea numărului de constante s-au propus formule în care coeficienții a, b și cu sunt prezentate ca funcţii din eu și DAR . Cu toate acestea, forma acestor funcții este foarte complicată, de exemplu, funcția b( eu) este un polinom de gradul cinci în eu și conține, în plus, doi termeni cu sinus.

Astfel, această formulă nu s-a dovedit a fi mai simplă decât formula lui Cameron. Potrivit lui Bekers, oferă valori care diferă de masele măsurate pentru nuclizii ușoare cu cel mult ±400 kev, iar pentru grele A >180) nu mai mult de ±200 kev.În cochilii, în unele cazuri, discrepanța poate ajunge la ± 1000 kev. Dezavantajul muncii lui Becker este absența tabelelor de masă calculate folosind aceste formule.

În concluzie, în rezumat, trebuie remarcat că există o foarte număr mare formule semiempirice de calitate diferită. În ciuda faptului că prima dintre ele, formula Bethe-Weizsacker, pare a fi depășită, ea continuă să apară ca componentaîn aproape toate cele mai noi formule, cu excepția formulelor de tip Levi-Zeldes. Noile formule sunt destul de complexe iar calculul maselor din ele este destul de laborios.

Literatură

1. Zavelsky F.S. Cântărirea lumilor, atomilor și particulelor elementare.–M.: Atomizdat, 1970.

2. G. Fraunfelder, E. Henley, Fizica subatomică.–M.: Mir, 1979.

3. Kravtsov V.A. Masa atomilor și energiile de legare ale nucleelor.–M.: Atomizdat, 1974.

La scara fizică a greutăților atomice, greutatea atomică a unui izotop de oxigen este considerată a fi exact 16.0000.

Partea 5. Defect de masă-energie de legătură-forte nucleare.

5.1. Conform modelului de nucleon care există astăzi, nucleul atomic este format din protoni și neutroni, care sunt ținute în interiorul nucleului de forțele nucleare.

Citat: „Nucleul atomic este format din nucleoni dens împachetati - protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri, interconectați prin puternice și cu rază scurtă de acțiune. forte nucleare atracție reciprocă... (Nucleu atomic. Wikipedia. Nucleu atomic. TSB).
Cu toate acestea, ținând cont de principiile apariției unui defect de masă într-un neutron, prezentate în partea 3, informațiile despre forțele nucleare necesită unele clarificări.

5.2. Învelișurile neutronului și protonului sunt aproape identice în „design” lor. Au o structură de undă și reprezintă o undă electromagnetică compactată, în care energia câmpului magnetic este convertită complet sau parțial în energie electrică ( + /-) câmpuri. Cu toate acestea, din motive necunoscute, aceste două particule diferite au învelișuri de aceeași masă - 931,57 MeV. Adică: învelișul protonului este „calibrat” și în cazul rearanjamentului beta clasic al protonului, masa învelișului săueste integral și complet „moștenit” de neutron (și invers).

5.3. Cu toate acestea, în interiorul stelelor, în timpul rearanjarii beta a protonilor în neutroni, se utilizează materia proprie a învelișului de protoni, drept urmare toți neutronii formați au inițial un defect de masă. În acest sens, cu fiecare ocazie, un neutron „defect” tinde să se restabilească prin orice mijloace referinţă masa cochiliei sale și se transformă într-o particulă „cu drepturi depline”. Și această dorință a neutronului de a-și restabili parametrii (compensa penuria) este destul de înțeleasă, justificată și „legitimă”. Prin urmare, cu cea mai mică ocazie, un neutron „defect” pur și simplu „se lipește” (se lipește, se lipește etc.) de învelișul celui mai apropiat proton.

5.4. Prin urmare: energia obligatorie și forțele nucleare sunt în mod inerent sunt echivalentul forței, cu care neutronul caută să „îndepărteze” din proton fracțiunea lipsă din învelișul său. Mecanismul acestui fenomen nu este încă foarte clar și nu poate fi prezentat în cadrul acestei lucrări. Cu toate acestea, se poate presupune că neutronul cu învelișul său „defect” este parțial împletit cu învelișul nedeteriorat (și mai puternic) al protonului.

5.5.Prin urmare:

a) defect de masă neutronică - acestea nu sunt abstracte, nu se știe cum și unde au apărut forte nucleare . Defectul de masă neutronică este o lipsă foarte reală de materie neutronică, a cărei prezență (prin echivalentul energetic) asigură apariția forțelor nucleare și a energiei de legare;

b) energia de legare și forțele nucleare sunt denumiri diferite pentru același fenomen - defectul de masă a neutronilor. adica:
defect de masă (a.m.u.* E 1 ) = energie de legare (MeV) = forțe nucleare (MeV) unde E 1 este echivalentul energetic al unei unități de masă atomică.

Partea 6. Legături de perechi între nucleoni.

6.1. Citat: „Este acceptat că forțele nucleare sunt o manifestare a interacțiunii puternice și au următoarele proprietăți:

a) forțele nucleare acționează între oricare doi nucleoni: proton și proton, neutron și neutron, proton și neutron;

b) forțele nucleare de atracție a protonilor în interiorul nucleului sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât respingerea electrică a protonilor. Forțe mai puternice decât forțele nucleare nu sunt observate în natură;

c) forțele de atracție nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune: raza lor de acțiune este de aproximativ 10 - 15 m". (I.V. Yakovlev. Energia de legare a nucleului).

Cu toate acestea, ținând cont de principiile declarate ale apariției unui defect de masă într-un neutron, apar imediat obiecții la punctul a) și necesită o analiză mai detaliată.

6.2. La formarea unui deuteron (și a nucleelor ​​altor elemente), se folosește doar defectul de masă al neutronului. Protonii defect de masă implicați în aceste reacții neformat. În afară de - protonii nu pot avea deloc un defect de masă,în măsura în care:

În primul rând: nu există nicio nevoie „tehnologică” pentru formarea sa, deoarece pentru formarea unui deuteron și a nucleelor ​​altor elemente chimice defectul de masă este suficient doar pentru neutroni;

În al doilea rând: protonul este o particulă mai puternică decât neutronul „născut” pe baza sa. Prin urmare, chiar și atunci când este unit cu un neutron „defect”, protonul nu va ceda niciodată și în niciun caz neutronul „nici un gram” din materia sa. Pe aceste două fenomene – „intransigența” protonului și prezența unui defect de masă în neutron – se bazează existența energiei de legare și a forțelor nucleare.

6.3 În legătură cu cele de mai sus, rezultă următoarele concluzii simple:

a) forțele nucleare Mai act numaiîntre un proton și un neutron „defect”, deoarece au învelișuri cu distribuții diferite de sarcină și forțe diferite (învelișul unui proton este mai puternic);

b) forţe nucleare nu poti acţionează între proton-proton deoarece protonii nu pot avea un defect de masă. Prin urmare, formarea și existența unui diproton este exclusă. Confirmare - diprotonul nu a fost încă detectat experimental (și nu va fi niciodată detectat). Mai mult, dacă ar exista (ipotetic) o legătură proton-proton, atunci o întrebare simplă devine legitimă: atunci de ce are nevoie Natura de un neutron? Răspunsul este fără echivoc - în acest caz, neutronul nu este deloc necesar pentru construcția nucleelor ​​compuse;

c) forţe nucleare nu poti acționează între un neutron-neutron, deoarece neutronii au învelișuri de același tip în ceea ce privește puterea și distribuția sarcinii. Prin urmare, formarea și existența unui dineutron este exclusă. Confirmare - dineutronul nu a fost încă detectat experimental (și nu va fi niciodată detectat). Mai mult, dacă ar exista (ipotetic) o legătură neutroni-neutroni, atunci unul dintre cei doi neutroni (cel „mai puternic”) ar restabili aproape instantaneu integritatea învelișului său în detrimentul învelișului celui de-al doilea (mai „slab”).

6.4. Prin urmare:

a) protonii au o sarcină și, în consecință, forțe de respingere coulomb. Asa de singurul scop al neutronului este capacitatea (capacitatea) lui de a crea un defect de masă iar cu energia sa de legare (forțele nucleare) „lipește” protonii încărcați și formează împreună cu ei nuclee de elemente chimice;

b) energia de legare poate acţiona numai între proton și neutron, și nu poti acționează între proton-proton și neutron-neutron;

c) sunt excluse prezența unui defect de masă într-un proton, precum și formarea și existența unui diproton și a unui dineutron.

Partea 7 „Curenți mezonici”.

7.1. Citat: „Legarea nucleonilor este realizată de forțe extrem de de scurtă durată care apar ca urmare a unui schimb continuu de particule numite pi-mezoni... Interacțiunea nucleonilor este redusă la multiple acte de emisie a unui mezon cu unul. a nucleonilor și absorbția ei de către un altul... Cea mai distinctă manifestare a curenților mezonici de schimb a fost găsită în reacțiile de scindare a deuteronilor de către electroni de înaltă energie și g-quanta.(Nucleu atomic. Wikipedia, TSB etc.).

Opinia că forțele nucleare „... apar ca urmare a schimbului continuu de particule numite pi-mezoni...” necesită clarificări din următoarele motive:

7.2. Apariția curenților de mezon în timpul distrugerii deuteronului (sau a altor particule) în nici o împrejurare nu poate fi considerat un fapt de încredere al prezenței constante a acestor particule (mezoni) în realitate, deoarece:

a) în procesul de distrugere, particulele stabile încearcă prin orice mijloace să-și păstreze (recreeze, „repara”, etc.) structura lor. Prin urmare, înainte de dezintegrarea lor finală, se formează numeroase asemănătoare cu ei înșiși fragmente dintr-o structură intermediară cu diverse combinații de quarci - muoni, mezoni, hiperoni etc. etc.

b) aceste fragmente sunt doar produse intermediare de degradare cu o durată de viață pur simbolică („rezidenți temporari”) și, prin urmare, nu poate fi luată în considerare ca componente structurale permanente și efectiv existente ale unor formațiuni mai stabile (elementele tabelului periodic și protonii și neutronii lor constituenți).

7.3. În plus: mezonii sunt particule compuse cu o masă de aproximativ 140 MeV, constând din quarci-antiquarci u-d si scoici. Și apariția unor astfel de particule „în interiorul” deuteronului este pur și simplu imposibilă din următoarele motive:

a) apariția unui singur mezon minus sau a unui mezon plus reprezintă o încălcare de 100% a legii conservării sarcinii;

b) formarea cuarcilor mezon va fi însoțită de apariția mai multor perechi intermediare electron-pozitron și irevocabil dumping de energie (materie) sub formă de neutrin. Aceste pierderi, precum și costul materiei protonice (140 MeV) pentru formarea a cel puțin un mezon, reprezintă o încălcare de 100% a calibrării protonului (masa protonului este de 938,27 MeV, nici mai mult, nici mai puțin). .

7.4. Prin urmare:

A ) două particule - un proton și un neutron, care formează un deuteron, sunt ținute împreună doar energie de legătură, a cărei bază este lipsa de materie (defect de masă) a învelișului de neutroni;

b) legarea nucleonilor cu ajutorul " acte multiple»schimb de pi-mezoni (sau alte particule „temporale”) - exclus, deoarece este o încălcare 100% a legilor conservării și integrității protonului.

Partea 8. Neutrini solari.

8.1. În prezent, la numărarea numărului de neutrini solari, în conformitate cu formula p + p = D + e + + v e+ 0,42 MeV, se presupune că energia lor se află în intervalul de la 0 la 0,42 MeV. Cu toate acestea, acest lucru nu ia în considerare următoarele nuanțe:

8.1.1. În-primul. După cum sa menționat în paragraful 4.3, valorile energiei (+0,68 MeV) și (-0,26 MeV) nu pot fi însumate, deoarece aceasta este absolut tipuri diferite(soiuri) de energie care sunt eliberate/consumate în diferite etape ale procesului (la diferite intervale de timp). Energia (0,68 MeV) este eliberată în stadiul inițial al procesului de formare a deuteronului și este imediat distribuită între pozitron și neutrin în proporții arbitrare. Prin urmare, valorile calculate ale energiei neutrinilor solari sunt în interval 0 până la 0,68 MeV.

8.1.2. În-al doilea.În intestinele Soarelui, materia se află sub influența unei presiuni monstruoase, care este compensată de forțele Coulomb de respingere a protonilor. În timpul rearanjarii beta a unuia dintre protoni, câmpul său Coulomb (+1) dispare, dar nu numai un neutron neutru din punct de vedere electric apare imediat în locul său, ci și o nouă particulă - Pozitron cu exact același câmp Coulomb (+1). Neutronul „nou-născut” este obligat să arunce pozitronul și neutrino „inutil”, dar este înconjurat (stors) din toate părțile de câmpurile Coulomb (+1) ale altor protoni. Și apariția unei noi particule (pozitron) cu exact același câmp (+1) este puțin probabil să fie „întâmpinată cu încântare”. Prin urmare, pentru ca un pozitron să părăsească zona de reacție (neutron), este necesar să se depășească contrarezistența câmpurilor Coulomb „străine”. Pentru aceasta, pozitronul trebuie ( trebuie sa) au un stoc semnificativ energie kineticăși de aceea cea mai mare parte a energiei eliberate în timpul reacției va fi transferată către pozitron.

8.2. Prin urmare:

a) distribuția energiei eliberate în timpul rearanjamentului beta între pozitron și neutrin depinde nu numai de aranjarea spațială a perechii electron-pozitron emergente în interiorul cuarcului și de aranjarea cuarcilor în interiorul protonului, ci și de prezența forțe externe, care contracarează ieșirea pozitronului;

b) pentru a depăși câmpurile externe Coulomb, cea mai mare parte a energiei eliberate în timpul restructurării beta (din 0,68 MeV) va fi transferată către pozitron. În acest caz, energia medie a marii majorități a neutrinilor va fi de câteva ori (sau chiar de câteva zeci de ori) mai mică decât energia medie a pozitronului;

c) în prezent acceptată ca bază pentru calculul numărului de neutrini solari, valoarea lor energetică de 0,42 MeV nu corespunde realității.

Compoziția nucleului atomic

Fizica nucleara- știința structurii, proprietăților și transformărilor nucleelor ​​atomice. În 1911, E. Rutherford a stabilit în experimente privind împrăștierea particulelor a pe măsură ce acestea trec prin materie că un atom neutru constă dintr-un nucleu compact încărcat pozitiv și un nor de electroni negativi. W. Heisenberg și D.D. Ivanenko (independent) a emis ipoteza că nucleul este format din protoni și neutroni.

nucleul atomic- partea centrală masivă a atomului, formată din protoni și neutroni, care a primit denumirea generală nucleonii. Aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleu (mai mult de 99,95%). Dimensiunile nucleelor ​​sunt de ordinul 10 -13 - 10 -12 cm și depind de numărul de nucleoni din nucleu. Densitatea materiei nucleare atât pentru nucleele ușoare, cât și pentru cele grele este aproape aceeași și este de aproximativ 10 17 kg/m 3 , adică. 1 cm 3 de materie nucleară ar cântări 100 de milioane de tone.Nucleii au o sarcină electrică pozitivă egală cu valoarea absolută a sarcinii totale a electronilor din atom.

Proton (simbol p) - o particulă elementară, nucleul unui atom de hidrogen. Protonul are o sarcină pozitivă egală ca mărime cu sarcina electronului. Masa protonilor m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e , unde m e este masa electronilor.

În fizica nucleară, se obișnuiește să se exprime mase în unități de masă atomică:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Prin urmare, masa protonului, exprimată în a.m.u., este

mp = 1,0075957 amu

Numărul de protoni dintr-un nucleu se numește numărul de taxare Z. Este egal cu numărul atomic al unui element dat și, prin urmare, determină locul elementului în sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev.

Neutroni (simbol n) - o particulă elementară care nu are o sarcină electrică, a cărei masă este puțin mai mare decât masa unui proton.

Masa neutronilor m n \u003d 1,675 10 -27 kg \u003d 1,008982 a.m.u. Numărul de neutroni dintr-un nucleu se notează cu N.

Se numește numărul total de protoni și neutroni din nucleu (numărul de nucleoni). numar de masași este notat cu litera A,

Simbolul este folosit pentru a desemna nucleele, unde X este simbolul chimic al elementului.

izotopi- varietăți de atomi ai aceluiași element chimic, ale căror nuclee atomice au același număr de protoni (Z) și un număr diferit de neutroni (N). Nucleele unor astfel de atomi sunt numite și izotopi. Izotopii ocupă același loc în tabelul periodic al elementelor. De exemplu, dăm izotopi de hidrogen:

Conceptul de forțe nucleare.

Nucleele atomilor sunt formațiuni extrem de puternice, în ciuda faptului că protonii încărcați similar, aflându-se la distanțe foarte mici în nucleul atomic, trebuie să se respingă între ei cu mare forță. În consecință, în interiorul nucleului acționează forțe de atracție extrem de puternice între nucleoni, de multe ori mai mari decât forțele electrice de respingere dintre protoni. Forțele nucleare sunt un fel special forțe, acestea sunt cele mai puternice dintre toate interacțiunile cunoscute din natură.

Studiile au arătat că forțele nucleare au următoarele proprietăți:

1. forțele de atracție nucleare acționează între orice nucleoni, indiferent de starea lor de încărcare;
2. forțele de atracție nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune: ele acționează între oricare doi nucleoni la o distanță între centrele particulelor de aproximativ 2 10 -15 m și cad brusc odată cu creșterea distanței (la distanțe mai mari de 3 10 -15 m sunt deja practic egal cu zero);
3. forțele nucleare sunt caracterizate prin saturație, adică fiecare nucleon poate interacționa doar cu nucleonii de nucleu cei mai apropiați de el;
4. forțele nucleare nu sunt centrale, adică ei nu acționează de-a lungul liniei care leagă centrele nucleonilor care interacționează.

În prezent, natura forțelor nucleare nu este pe deplin înțeleasă. Este stabilit că ele sunt așa-numitele forțe de schimb. Forțele de schimb sunt de natură cuantică și nu au analog în fizica clasică. Nucleonii sunt legați împreună printr-o a treia particulă, pe care o schimbă în mod constant. În 1935, fizicianul japonez H. Yukawa a arătat că nucleonii fac schimb de particule a căror masă este de aproximativ 250 de ori mai mare decât masa unui electron. Particulele prezise au fost descoperite în 1947 de omul de știință englez S. Powell în timp ce studia razele cosmice și, ulterior, au numit p-mezoni sau pioni.

Transformările reciproce ale neutronului și protonului sunt confirmate de diverse experimente.

Defect de masă al nucleelor ​​atomice. Energia de legare a nucleului atomic.

Nucleonii dintr-un nucleu atomic sunt interconectați prin forțe nucleare, prin urmare, pentru a împărți nucleul în protoni și neutroni individuali, este necesar să cheltuiți multă energie.

Se numește energia minimă necesară pentru a împărți un nucleu în nucleonii săi constitutivi energie nucleară de legare. Aceeași cantitate de energie este eliberată atunci când neutronii și protonii liberi se combină pentru a forma un nucleu.

Măsurătorile spectroscopice de masă precise ale maselor nucleelor ​​au arătat că masa de repaus a unui nucleu atomic este mai mică decât suma maselor de repaus de neutroni și protoni liberi din care s-a format nucleul. Diferența dintre suma maselor de rest de nucleoni liberi din care este format nucleul și masa nucleului se numește defect de masă:

Această diferență de masă Dm corespunde energiei de legare a nucleului EST, determinată de relația Einstein:

sau, înlocuind expresia pentru D m, primim:

Energia de legare este de obicei exprimată în megaelectronvolți (MeV). Să definim energia de legare corespunzătoare unei unități de masă atomică ( , viteza luminii în vid ):

Să traducem valoarea obținută în electronvolți:

În acest sens, în practică este mai convenabil să folosiți următoarea expresie pentru energia de legare:

unde factorul Dm este exprimat în unități de masă atomică.

O caracteristică importantă a nucleului este energia specifică de legare a nucleului, adică. energie de legare per nucleon:

Cu cât mai mult, cu atât nucleonii sunt legați unul de celălalt mai puternic.

Dependența valorii lui e de numărul de masă al nucleului este prezentată în Figura 1. După cum se poate observa din grafic, nucleonii din nuclee cu numere de masă de ordinul 50-60 (Cr-Zn) sunt legați cel mai puternic. . Energia de legare pentru aceste nuclee ajunge

8,7 MeV/nucleon. Pe măsură ce A crește, energia specifică de legare scade treptat.

1. Radiațiile radioactive și tipurile sale. Legea dezintegrarii radioactive.

Fizicianul francez A. Becquerel în 1896. în timp ce studia luminescența sărurilor de uraniu, a descoperit accidental emisia lor spontană de radiații de natură necunoscută, care acționează asupra unei plăci fotografice, ioniza aerul, trecea prin plăci subțiri de metal și provoacă luminiscența unui număr de substanțe.

Continuând studiul acestui fenomen, soții Curie au descoperit că o astfel de radiație este caracteristică nu numai uraniului, ci și multor alte elemente grele (toriu, actiniu, poloniu, radiu).

Radiația detectată a fost numită radioactivă, iar fenomenul în sine a fost numit radioactivitate.

Experimente ulterioare au arătat că natura radiației medicamentului nu este afectată de tipul de substanță chimică. conexiuni, starea de agregare, presiunea, temperatura, câmpurile electrice și magnetice, de ex. toate acele influențe care ar putea duce la o schimbare a stării învelișului de electroni a atomului. Prin urmare, proprietățile radioactive ale unui element se datorează numai structurii nucleului său.

Radioactivitatea este transformarea spontană a unui nucleu atomic în altul, însoțită de emisia de particule elementare. Radioactivitatea este împărțită în naturală (observată în izotopii instabili care există în natură) și artificială (observată în izotopii obținuți prin reacții nucleare). Nu există nicio diferență fundamentală între ele, legile transformării radioactive sunt aceleași. Radiațiile radioactive au o compoziție complexă (Fig. 2).

- radiatii este un flux de nuclee de heliu, , , are o capacitate ionizantă mare și o putere de penetrare redusă (absorbită de un strat de aluminiu cu mm).

- radiatii este fluxul de electroni rapizi. Capacitatea de ionizare este cu aproximativ 2 ordine de mărime mai mică, iar puterea de penetrare este mult mai mare, este absorbită de un strat de aluminiu cu mm.

- radiatii- radiatii electromagnetice de unde scurte cu m si, ca urmare, cu proprietati corpusculare pronuntate, i.e. este un flux de cuante. Are o capacitate de ionizare relativ slabă și o putere de penetrare foarte mare (trece printr-un strat de plumb cu cm).

Nucleele radioactive individuale suferă transformări independent unul de celălalt. Prin urmare, putem presupune că numărul de nuclee care s-au degradat în timp este proporțional cu numărul de nuclee radioactive disponibile și cu timpul:

Semnul minus reflectă faptul că numărul de nuclee radioactive este în scădere.

Caracteristica constantă a dezintegrarii radioactive a unei substanțe radioactive date determină rata dezintegrarii radioactive.

, ,

- legea dezintegrarii radioactive,

Numărul de nuclee la momentul inițial,

Numărul de nuclee nedezintegrate la un moment dat.

Numărul de nuclee nedezintegrate scade exponențial.

Numărul de nuclee care s-au degradat în timp este determinat de expresie

Se numește timpul necesar pentru ca jumătate din numărul inițial de nuclee să se descompună jumătate de viață. Să-i definim valoarea.

, , ,

, .

Timpul de înjumătățire pentru nucleele radioactive cunoscute în prezent este în intervalul de la 3×10 -7 s la 5×10 15 ani.

Numărul de nuclee care se descompun pe unitatea de timp se numește activitatea unui element dintr-o sursă radioactivă,

.

Activitate pe unitatea de masă a unei substanțe - activitate specifică,

Unitatea de activitate în C este becquerelul (Bq).

1 Bq este activitatea elementului, la care are loc 1 act de dezintegrare în 1 s;

Unitatea de radioactivitate din afara sistemului este curie (Ci). 1Ki - activitate la care 3,7×10 10 acte de dezintegrare au loc în 1 s.

1. Legile de conservare în dezintegrari radioactive și reacții nucleare.

Un nucleu atomic aflat în dezintegrare se numește maternă, nucleul emergent - copil.

Dezintegrarea radioactivă are loc în conformitate cu așa-numitele reguli de deplasare, care fac posibilă determinarea nucleului care rezultă din dezintegrarea unui nucleu părinte dat.

Regulile de deplasare sunt o consecință a două legi care sunt valabile în timpul dezintegrarilor radioactive.

1. Legea conservării sarcinii electrice:

suma sarcinilor nucleelor ​​și particulelor emergente este egală cu sarcina nucleului original.

2. Legea conservării numărului de masă:

suma numerelor de masă ale nucleelor ​​și particulelor rezultate este egală cu numărul de masă al nucleului original.

Dezintegrarea alfa.

Grinzile sunt un flux de nuclee. Dezintegrarea se desfășoară conform schemei

,

X- simbolul chimic al nucleului părinte, - copilul.

Dezintegrarea alfa este de obicei însoțită de emisia de raze de către nucleul fiică.

Din schemă se poate observa că numărul atomic al nucleului fiu este cu 2 unități mai mic decât cel al părintelui, iar numărul de masă este de 4 unități, adică. elementul rezultat în urma dezintegrarii va fi situat în tabelul periodic 2 celule în stânga elementului original.

.

Așa cum un foton nu există gata făcut în interiorul unui atom și apare numai în momentul radiației, nici o particulă nu există într-o formă gata făcută în nucleu, ci apare în momentul dezintegrarii sale radioactive. când 2 protoni se deplasează în interiorul nucleului și 2- x neutroni.

Beta - dezintegrare.

Dezintegrarea sau dezintegrarea electronică se desfășoară conform schemei

.

Elementul rezultat va fi situat în tabel cu o celulă la dreapta (deplasat) în raport cu elementul original.

Dezintegrarea beta poate fi însoțită de emisia de raze.

Radiația gamma . S-a stabilit experimental că radiația nu este un tip independent de radioactivitate, ci doar însoțește - și - descompunerile, au loc în timpul reacțiilor nucleare, decelerații particulelor încărcate, dezintegrarea acestora etc.

reactie nucleara numit procesul de interacțiune puternică a nucleului atomic cu o particulă elementară sau alt nucleu, care duce la transformarea nucleului (sau nucleelor). Interacțiunea particulelor care reacţionează are loc atunci când se apropie de distanţe de ordinul a 10 -15 m, adică. pana la distante la care actiunea fortelor nucleare este posibila, r ~ 10 -15 m.

Cel mai obișnuit tip de reacție nucleară este reacția de interacțiune a unei particule de lumină "" cu un nucleu X, în urma căreia se formează o particulă de lumină " în" și nucleul Y.

X este nucleul inițial, Y este nucleul final.

Particula care provoacă reacția

în este particula rezultată din reacție.

ca particule de lumină Ași în pot apărea neutroni, protoni, deuteron, - particule, - foton.

În orice reacție nucleară, legile de conservare sunt îndeplinite:

1) sarcini electrice: suma sarcinilor nucleelor ​​și particulelor care intră în reacție este egală cu suma sarcinilor produselor finale (nuclee și particule) ale reacției;

2) numere de masă;

3) energie;

4) impuls;

5) moment unghiular.

Efectul energetic al unei reacții nucleare poate fi calculat prin întocmirea bilanțului energetic al reacției. Cantitatea de energie eliberată și absorbită se numește energie de reacție și este determinată de diferența de mase (exprimată în unități de energie) a produselor inițiale și finale ale unei reacții nucleare. Dacă suma maselor nucleelor ​​și particulelor rezultate depășește suma maselor nucleelor ​​și particulelor inițiale, reacția continuă cu absorbția de energie (și invers).

Întrebarea la ce transformări ale nucleului are loc absorbția sau eliberarea energiei poate fi rezolvată folosind graficul dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă A (Fig. 1). Graficul arată că nucleele elementelor de început și sfârșit sistem periodic mai puţin stabil, pentru că ei au mai putin.

In consecinta, eliberarea energiei nucleare are loc atat in reactiile de fisiune ale nucleelor ​​grele cat si in reactiile de fuziune a nucleelor ​​usoare.

Această prevedere este extrem de importantă, întrucât pe ea se bazează metodele industriale de obținere a energiei nucleare.

Contactul semiconductorilor electronici și orificiilor...

Conductivitatea semiconductorilor intrinseci datorată electronilor se numește . Conducție electronică sau conductivitate de tip n. În re-cele de aruncări termice ale elementelor din zona 1 în zona 2 apar stări vacante în zona de valență, care se numesc găuri.Într-un câmp electric extern, un electron de la un nivel vecin se poate deplasa într-un loc eliberat de un electron, o gaură, iar o gaură va apărea în locul în care electronul a plecat și așa mai departe. un astfel de proces de umplere a găurilor cu electroni echivalează cu deplasarea găurii în direcția opusă mișcării electronului, ca și cum gaura ar avea o sarcină pozitivă egală ca mărime cu sarcina electronului. Conductivitatea semiconductorilor intrinseci, datorată cvasiparticulelor - găuri, numită. conducerea orificiilor sau conductivitate de tip p. Regiunea unui semiconductor în care are loc o modificare spațială a tipului de conducție (de la n electronic la gaura p). Întrucât în ​​raionul E.-d. Deoarece concentrația de găuri este mult mai mare decât în ​​regiunea n, găurile din regiunea n tind să difuzeze în regiunea electronică. Electronii difuzează în regiunea p. Cu toate acestea, după plecarea găurilor din regiunea n, rămân atomi acceptori încărcați negativ, iar după plecarea electronilor din regiunea n, rămân atomi donatori încărcați pozitiv. Deoarece atomii acceptor și donor sunt imobili, atunci în regiunea E.-l. n. se formează un strat dublu de sarcină spațială - sarcini negative în regiunea p și sarcini pozitive în regiunea n (Fig. 1). Câmpul electric de contact care apare în acest caz este atât de mărime și de direcție încât contracarează difuzia purtătorilor de curent liber prin E.-d. P.; în condiții de echilibru termic în absența unei tensiuni electrice externe, curentul total prin E.-d. n. este egal cu zero. Astfel, în E.-d. n. există un echilibru dinamic la care un curent mic creat de purtători minoritari (electroni în regiunea p și găuri în regiunea n) curge către E.-d. p. și trece prin el sub acțiunea câmpului de contact, iar prin E.-d circulă un curent egal creat de difuzia purtătorilor principali (electroni în regiunea n și găuri în regiunea p). n. în sens invers. În acest caz, principalii purtători trebuie să depășească câmpul de contact (barieră potențială). Diferența de potențial care apare între regiunile p și n datorită prezenței unui câmp de contact (diferența de potențial de contact sau înălțimea barierei de potențial) este de obicei de zecimi de volt. Un câmp electric extern modifică înălțimea barierei de potențial și perturbă echilibrul fluxurilor de purtători de curent prin aceasta. Dacă se pune. potențialul este aplicat regiunii p, apoi câmpul extern este îndreptat împotriva contactului, adică bariera de potențial scade (polarizare înainte). În acest caz, pe măsură ce tensiunea aplicată crește, numărul purtătorilor majoritari capabili să depășească bariera de potențial crește exponențial. Concentrația purtătorilor minori pe ambele părți ale E.-d. crește (injecție de purtători minoritari), simultan în regiunile p și n prin contactele de intrare sume egale purtătorii principali, care determină neutralizarea sarcinilor purtătorilor injectați.

O serie se numește contact fenomene fizice care apar în zona de contact a unor corpuri diferite. Fenomenele de contact prezintă un interes practic în cazul contactului dintre metale și semiconductori.

Să explicăm apariția diferența de potențial de contact , folosind conceptele de teorie a benzilor. Luați în considerare contactul a două metale cu funcții de lucru diferite O ieşire1și Un out2. Diagramele de energie de bandă ale ambelor metale sunt prezentate în Fig. 2. Aceste metale au, de asemenea, diferite niveluri Fermi (nivel Fermi sau energie Fermi ( E F) este energia sub care toate stările de energie sunt umplute și deasupra căreia sunt goale la temperatura zero absolut). În cazul în care un O ieşire1<Un out2(Fig. 2), atunci nivelul Fermi în metalul 1 este mai mare decât în ​​metalul 2. Prin urmare, atunci când metalele intră în contact, electronii de la niveluri superioare ale metalului 1 vor merge la niveluri inferioare ale metalului 2, ceea ce va duce la metal. 1 fiind încărcat pozitiv și metalul 2 negativ.

În același timp, are loc o schimbare relativă a nivelurilor de energie: într-un metal încărcat pozitiv, toate nivelurile se deplasează în jos, iar într-un metal încărcat negativ, în sus. Acest proces va continua până când se stabilește echilibrul termodinamic între metalele aflate în contact, care, așa cum se dovedește în fizica statistică, se caracterizează prin alinierea nivelurilor Fermi în ambele metale (Fig. 3). De acum, nivelurile Fermi pentru metalele în contact sunt aceleași, iar lucrul funcționează O ieşire1și Un out2 nu se modifică, atunci energia potențială a electronilor în punctele aflate în afara metalelor în imediata apropiere a suprafeței lor (punctele A și B din fig. 3) va fi diferită. Prin urmare, se stabilește o diferență de potențial între punctele A și B, care, după cum reiese din figură, este egală cu

Se numește diferența de potențial datorată diferenței în funcțiile de lucru ale metalelor aflate în contact diferență de potențial de contact extern - ∆φ extern sau doar o diferență de potențial de contact.

Diferența dintre nivelurile Fermi din metalele care vin în contact duce la apariție diferența de potențial de contact intern , care este egal cu

.

Diferența de potențial de contact intern ∆φ intern depinde de temperatura T a contactului metalic (deoarece poziția lui E F în sine depinde de T), provocând multe fenomene termoelectrice. Obișnuit ∆φ intern<<∆φ extern.

Când trei conductori diferiți sunt aduși în contact, diferența de potențial dintre capetele unui circuit deschis după stabilirea echilibrului termodinamic va fi egală cu suma algebrică a diferențelor de potențial din toate contactele.

Conform conceptelor teoriei electronice, conductivitatea metalelor se datorează prezenței electronilor liberi în ele. Electronii sunt într-o stare de mișcare termică aleatorie, similară mișcării haotice a moleculelor de gaz. Numărul de electroni liberi n, închis într-o unitate de volum (concentrație), nu este același pentru diferite metale. Pentru metale, concentraţiile de electroni liberi sunt de ordinul 10 25 -10 27 m -3 .

Să presupunem că concentrațiile de electroni liberi din metale nu sunt aceleași - n 1 ≠ n 2. Apoi, în același timp, mai mulți electroni vor trece prin contactul dintr-un metal cu o concentrație de electroni mai mare decât în ​​direcția opusă (difuzie de concentrație). În zona de contact, va apărea o diferență de potențial suplimentară ∆φ intern. În regiunea de contact, concentrația de electroni se va schimba ușor de la n 1 inainte de n 2. Pentru calcul ∆φ intern Să evidențiem un volum mic în zona de contact, care are forma unui cilindru cu generatoare perpendiculare pe interfața metalică (Fig. 4) și presupunem că concentrația de electroni a primului metal este egală cu n 1 = n, iar al doilea are mai multe, i.e. n 2 = n+dn.

În plus, vom considera electronii liberi ca un gaz de electroni care satisface ideile de bază ale teoriei cinetice moleculare a gazelor ideale. Presiune p gaz la baza cilindrului 1 la o temperatură T este egal cu:

unde este constanta Boltzmann.

Presiunea la baza cilindrului 2 va fi în consecință:

Diferența de presiune de-a lungul cilindrului este egală cu:

Sub influența diferenței de presiune, va exista un flux de electroni prin interfața metalică din regiunea de presiune mai mare p 2în direcția bazei 1 (a în fig. 4). Echilibrul va veni atunci când puterea dF el câmp electric generat cu intensitate E (Fig. 4) va deveni egală cu forța de presiune dp×dS gaz de electroni, adică

Dacă numărul de electroni din volum dV=dx×dS cilindru este egal dN=ndV, atunci se va determina puterea câmpului electric care acționează asupra lor:

tensiune E câmpul electric este numeric egal cu gradientul de potențial, adică

Variabile separate

Să integrăm:

.

Deoarece concentrațiile de electroni liberi din metale diferă nesemnificativ, valoarea ∆φ intern diferență de potențial semnificativ mai mică ∆φ extern. Valoare ∆φ intern ajunge la câteva zeci de milivolți, în timp ce ∆φ extern poate fi de ordinul mai multor volți.

Diferența totală de potențial în contactul metalelor, ținând cont de formula (10), este determinată de:

Luați în considerare acum un lanț închis de doi diverși conductori(Fig. 5). Diferența totală de potențial din acest circuit este egală cu suma diferențelor de potențial din contactele 1 și 2:

.

Când este indicat în fig. Bypass în 3 direcții ∆φ 12 = -∆φ 21. Atunci ecuația pentru întregul circuit este:

În cazul în care un T1≠T2, apoi și ∆φ ≠ 0 . Suma algebrică a tuturor salturilor de potențial dintr-un circuit închis este egală cu forța electromotoare (EMF) care acționează în circuit. Prin urmare, când T1 ≠T2în circuit (Fig. 5), apare o fem, egală în conformitate cu formulele (12) și (13):

Denota

Prin urmare, formula (15) ia forma

.

Astfel, EMF într-un circuit închis de conductori omogene depinde de diferența de temperatură a contactelor. Termo-emf - forta electromotoare ε , apărute într-un circuit electric format din mai mulți conductori diferiți, contactele dintre care au temperaturi diferite (efect Seebeck). Dacă există un gradient de temperatură de-a lungul conductorului, atunci electronii de la capătul fierbinte capătă energii și viteze mai mari. În plus, în semiconductori, concentrația de electroni crește odată cu temperatura. Ca urmare, există un flux de electroni de la capătul fierbinte la capătul rece, o sarcină negativă se acumulează la capătul rece și o sarcină pozitivă necompensată rămâne la capătul fierbinte. Suma algebrică a acestor diferențe de potențial din circuit creează una dintre componentele termo-EMF, care se numește volumetrică.

Diferența de potențial de contact poate ajunge la câțiva volți. Depinde de structura conductorului (proprietățile sale electronice în vrac) și de starea suprafeței sale. Prin urmare, diferența de potențial de contact poate fi modificată prin tratarea suprafeței (acoperiri, adsorbție etc.).

1.2 FENOMENE TERMOELECTRICE

Se știe că funcția de lucru a electronilor dintr-un metal depinde de temperatură. Prin urmare, diferența de potențial de contact depinde și de temperatură. Dacă temperatura contactelor unui circuit închis format din mai multe metale nu este aceeași, atunci e. d.s. circuitul nu va fi egal cu zero și un curent electric apare în circuit. Fenomenul de apariție a curentului termoelectric (efectul Seebeck) și efectele Peltier și Thomson aferente aparțin fenomenelor termoelectrice.

EFECT SEEBECK

Efectul Seebeck este apariția unui curent electric într-un circuit închis format din conductori diferiți legați în serie, contactele dintre care au temperaturi diferite. Acest efect a fost descoperit de fizicianul german T. Seebeck în 1821.

Luați în considerare un circuit închis format din doi conductori 1 și 2 cu temperaturi de joncțiune TA (contact A) și TB (contact B), prezentate în Figura 2.

Considerăm TA > TV. Forța electromotoare ε care apare în acest circuit este egală cu suma salturilor de potențial din ambele contacte:

Prin urmare, într-un circuit închis, de ex. d.s., a cărui valoare este direct proporțională cu diferența de temperatură la contacte. Aceasta este forța termoelectromotoare

(adică d.s.).

Calitativ, efectul Seebeck poate fi explicat după cum urmează. Forțele externe care creează puterea termoelectrică sunt de origine cinetică. Deoarece electronii din interiorul metalului sunt liberi, ei pot fi considerați ca un fel de gaz. Presiunea acestui gaz trebuie să fie aceeași pe toată lungimea conductorului. Dacă diferite secțiuni ale conductorului au temperaturi diferite, atunci este necesară o redistribuire a concentrației de electroni pentru a egaliza presiunea. Aceasta duce la generarea de curent.

Direcția curentului I, prezentată în fig. 2 corespunde cazului TA>TB, n1>n2. Dacă schimbați semnul diferenței de temperatură a contactelor, atunci direcția curentului se va schimba în sens opus.

EFECT PELTIER

Efectul Peltier este fenomenul de eliberare sau absorbție a căldurii suplimentare, pe lângă căldura Joule, în contactul a doi conductori diferiți, în funcție de direcția în care aceasta curge. electricitate. Efectul Peltier este inversul efectului Seebeck. Dacă căldura Joule este direct proporțională cu pătratul puterii curentului, atunci căldura Peltier este direct proporțională cu puterea curentului la prima putere și își schimbă semnul atunci când direcția curentului se schimbă.

Luați în considerare un circuit închis format din doi conductori metalici diferiți, prin care trece curentul I΄ (Fig. 3). Fie ca direcția curentului I΄ să coincidă cu direcția curentului I prezentat în fig. 2 pentru cazul TV>TA. Contactul A, care în efectul Seebeck ar fi avut o temperatură mai mare, acum se va răci, iar contactul B se va încălzi. Valoarea căldurii Peltier este determinată de relația:

unde I΄ este puterea curentului, t este timpul trecerii sale, P este coeficientul Peltier, care depinde de natura materialelor de contact și de temperatură.

Datorită prezenței diferențelor de potențial de contact în punctele A și B, contact câmpuri electrice cu tensiune Er . În contactul A, acest câmp este același cu direcția

mișcarea electronilor, în timp ce în contactul B electronii se deplasează împotriva câmpului Er . Deoarece electronii sunt încărcați negativ, ei sunt accelerați în contactul B, ceea ce duce la o creștere a energiei lor cinetice. Când se ciocnesc cu ionii metalici, acești electroni le transferă energie. Ca urmare, energia internă în punctul B crește și contactul se încălzește. LA

punctul A, dimpotrivă, energia electronilor scade, deoarece câmpul Er îi încetinește. În consecință, contactul A este răcit, deoarece. electronii primesc energie de la ioni în locurile rețelei cristaline.

Conceptul de energie nucleară

Mare importanțăîn energia nucleară, dobândește nu numai implementarea unei reacții în lanț de fisiune, ci și controlul acesteia. Se numesc dispozitive în care se realizează și se menține o reacție în lanț de fisiune controlată reactoare nucleare. Primul reactor din lume a fost lansat la Universitatea din Chicago (1942) sub conducerea lui E. Fermi, în URSS (și în Europa) - la Moscova (1946) sub conducerea lui IV Kurchatov.

Pentru a explica funcționarea reactorului, să luăm în considerare principiul de funcționare al unui reactor cu neutroni termici (Fig. 345). Elementele de combustibil sunt situate în miezul reactorului 1 si moderator 2, în in care neutronii sunt incetiniti la viteze termice. Elementele de combustibil (barele de combustibil) sunt blocuri de material fisionabil închise într-un înveliș ermetic care absoarbe slab neutronii. Datorită energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare, elementele de combustibil sunt încălzite și, prin urmare, pentru răcire, sunt plasate în fluxul de lichid de răcire (3- canal pentru curgerea lichidului de răcire). Zona activă este înconjurată de un reflector 4, reducerea scurgerilor de neutroni.

Reacția în lanț este controlată de tije de control speciale 5 din materiale puternic

absorbind neutroni (de exemplu, B, Cd). Parametrii reactorului sunt calculați în așa fel încât atunci când tijele sunt introduse complet, reacția cu siguranță nu are loc; odată cu îndepărtarea treptată a tijelor, factorul de multiplicare a neutronilor crește și, la o anumită poziție, ajunge la unitate. În acest moment, reactorul începe să funcționeze. Pe măsură ce funcționează, cantitatea de material fisionabil din miez scade și se contaminează cu fragmente de fisiune, printre care pot exista absorbanți puternici de neutroni. Pentru a preveni oprirea reacției, tijele de control (și adesea compensatoare speciale) sunt îndepărtate treptat din miez folosind un dispozitiv automat. Un astfel de control al reacției este posibil datorită existenței neutronilor întârziați (vezi §265) emiși de nucleele fisionabile cu o întârziere de până la 1 min. Când combustibilul nuclear se stinge, reacția se oprește. Înainte de următoarea pornire a reactorului, combustibilul nuclear uzat este îndepărtat și nou este încărcat. În reactor există și tije de urgență, a căror introducere, cu o creștere bruscă a intensității reacției, o întrerupe imediat.

Un reactor nuclear este o sursă puternică de radiații penetrante (neutroni, radiații g), de aproximativ 10 11 ori mai mare decât standardele sanitare. Prin urmare, orice reactor are protecție biologică - un sistem de ecrane din materiale de protecție (de exemplu, beton, plumb, apă), situat în spatele reflectorului său și o telecomandă.

Reactoarele nucleare sunt diferite:

1) prin natura materialelor principale din miez(combustibil nuclear, moderator, lichid de răcire); ca materie primă şi fisionabilă

235 92 U, 239 94 Pu, 233 92 U, 238 92 U, 232 90 Th sunt utilizați, ca moderatori - apă (obișnuită și grea), grafit, beriliu, lichide organice etc., ca lichide de răcire - aer, apă, abur . Nu, CO 2 etc.;

2) prin natura desfășurării nucleare

combustibil și moderator în miez:omogen(ambele substanțe sunt amestecate uniform între ele) și eterogen(ambele substanțe sunt situate separat sub formă de blocuri);

3) prin energia neutronilor(reactoare pe neutroni termici și rapizi; la acesta din urmă se folosesc neutroni de fisiune și nu există deloc moderator);

4) după tipul modului(continuu și pulsat);

5) cu programare(energie, cercetare, reactoare pentru producerea de noi materiale fisionabile, izotopi radioactivi etc.).

În conformitate cu caracteristicile luate în considerare, s-au format denumiri precum uraniu-grafit, apă-apă, grafit-gaz etc.

Printre reactoarele nucleare, un loc aparte îl ocupă centralele electrice. reactoare de reproducere. LA lor odată cu generarea de energie electrică are loc un proces de reproducere a combustibilului nuclear datorită reacţiei (265.2) sau (266.2). Aceasta înseamnă că nu numai izotopul 235 92 U este utilizat într-un reactor cu uraniu natural sau slab îmbogățit. , dar și izotopul 238 92 U. În prezent, reactoarele cu neutroni rapizi stau la baza ingineriei nucleare cu generarea combustibilului.

Pentru prima dată, energia nucleară în scopuri pașnice a fost folosită în URSS. La Obninsk, sub conducerea lui I. V. Kurchatov, a fost pusă în funcțiune prima centrală nucleară cu o capacitate de 5 MW (1954). Principiul de funcționare a unei centrale nucleare bazată pe un reactor cu apă sub presiune este prezentat în fig. 346. Blocuri de uraniu 1 scufundat în apă 2, care servește atât ca moderator, cât și ca lichid de răcire. Vai-

apa de ceai (este sub presiune și încălzită la 300 ° C) din partea superioară a miezului reactorului intră prin conductă 3 în generatorul de abur 4, .unde se evaporă și se răcește și se întoarce prin conducta 5a în reactor. Abur saturat 6 prin conducta 7 intră în turbina cu abur 8, revenind după ce a lucrat prin conductă 9 la generatorul de abur. Turbina rotește generatorul electric 10, curentul din care curge în rețeaua electrică.

Crearea reactoarelor nucleare a dus la aplicarea industrială a energiei nucleare. Rezervele de energie ale combustibilului nuclear din minereuri sunt cu aproximativ două ordine de mărime mai mari decât rezervele de combustibili chimici. Prin urmare, dacă, așa cum era de așteptat, ponderea principală a energiei electrice va fi generată la centralele nucleare, atunci aceasta, pe de o parte, va reduce costul energiei electrice, care este acum comparabil cu cel generat la centralele termice, și pe de o parte. pe de altă parte, va rezolva problema energiei timp de câteva secole și va permite utilizarea petrolului și gazelor arse în prezent ca materie primă valoroasă pentru industria chimică.

În URSS, pe lângă crearea de centrale nucleare puternice (de exemplu, Novovoroiyezhskaya cu o capacitate totală de aproximativ 1500 MW, prima etapă a Leningradskaya numită după V.I. Lenin cu două reactoare de 1000 MW fiecare), o atenție deosebită este acordată. plătite pentru crearea de centrale nucleare mici (750-1500 kW), convenabile pentru condiții specifice, precum și pentru rezolvarea problemelor de energie nucleară mică. Astfel, au fost construite primele centrale nucleare mobile din lume, a fost creat primul reactor din lume (Romashka), în care, cu ajutorul semiconductorilor, energia termică este transformată direct în energie electrică (miezul conține 49 kg 235 92 U, cel puterea termică a reactorului este de 40 kW, cea electrică - 0,8 kW), etc.

Oportunități enorme de dezvoltare a energiei nucleare se deschid odată cu crearea de reactoare rapide de generare de neutroni (crescători),în care generarea de energie este însoțită de producerea de combustibil secundar – plutoniu, care va rezolva radical problema furnizării combustibilului nuclear. Estimările arată că 1 tonă de granit conține aproximativ 3 g de 23892 U și 12 g de 23290 Th (sunt folosite ca materii prime în reactoare de reproducere), adică. cu un consum de energie de 5 10 8 MW (cu două ordine de mărime mai mare decât acum), rezervele de uraniu și toriu din granit vor fi suficiente pentru 10 9

ani la un cost prospectiv de 1 kWh de energie 0,2 copeici.

Tehnologia reactoarelor cu neutroni rapizi este în proces de căutare a celor mai bune soluții de inginerie. Prima centrală pilot de acest tip cu o capacitate de 350 MW a fost construită în orașul Shevchenko de pe coasta Mării Caspice. Este folosit pentru generarea de energie și desalinizare apa de mare, furnizând apă orașului și zonei adiacente de producție de petrol, cu o populație de aproximativ 150.000 de oameni. CNE Shevchenko a marcat începutul unei noi „industrie nucleare” - desalinizarea apei sărate, care, din cauza deficitului de resurse de apă dulce din multe zone, poate avea o importanță deosebită.

.

Compoziția nucleului unui atom

În 1932 după descoperirea protonului și neutronului de către oamenii de știință D.D. Ivanenko (URSS) și W. Heisenberg (Germania) au propus proton-neutronmodelnucleul atomic.
Conform acestui model, miezul este format din protoni si neutroni. Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) se numește numar de masa A: A = Z + N . Nucleele elementelor chimice sunt notate cu simbolul:
X este simbolul chimic al elementului.

De exemplu, hidrogen

Sunt introduse o serie de notații pentru a caracteriza nucleele atomice. Numărul de protoni care formează nucleul atomic este notat cu simbolul Z si suna numărul de taxare (acesta este numărul de serie din tabelul periodic al lui Mendeleev). Sarcina nucleară este Ze , Unde e este sarcina elementară. Numărul de neutroni este notat cu simbolul N .

forte nucleare

Pentru ca nucleele atomice să fie stabile, protonii și neutronii trebuie să fie ținuți în interiorul nucleelor ​​de forțe uriașe, de multe ori mai mari decât forțele de respingere Coulomb ale protonilor. Forțele care rețin nucleonii în nucleu se numesc nuclear . Ele sunt o manifestare a celei mai intense dintre toate tipurile de interacțiune cunoscute în fizică - așa-numita interacțiune puternică. Forțele nucleare sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât forțele electrostatice și cu zeci de ordine de mărime mai mari decât forțele interacțiunii gravitaționale a nucleonilor.

Forțele nucleare au următoarele proprietăți:

• au forțe atractive
• sunt forțele rază scurtă(apar la distante mici intre nucleoni);
• forțele nucleare nu depind de prezența sau absența unei sarcini electrice pe particule.

Defectul de masă și energia de legare a nucleului unui atom

Cel mai important rol în fizica nucleară îl joacă conceptul energie nucleară de legare .

Energia de legare a nucleului este egală cu energia minimă care trebuie cheltuită pentru divizarea completă a nucleului în particule individuale. Din legea conservării energiei rezultă că energia de legare este egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din particule individuale.

Energia de legare a oricărui nucleu poate fi determinată prin măsurarea precisă a masei acestuia. În prezent, fizicienii au învățat să măsoare masele de particule - electroni, protoni, neutroni, nuclee etc. - cu o precizie foarte mare. Aceste măsurători arată că masa oricărui nucleu M i este întotdeauna mai mic decât suma maselor protonilor și neutronilor săi constituenți:

Se numește diferența de masă defect de masă. Pe baza defectului de masă folosind formula Einstein E = mc 2 este posibil să se determine energia eliberată în timpul formării unui nucleu dat, adică energia de legare a nucleului E Sf:

Această energie este eliberată în timpul formării nucleului sub formă de radiație de γ-quanta.

Energie nucleară

În țara noastră, prima centrală nucleară din lume a fost construită și lansată în 1954 în URSS, în orașul Obninsk. Construcția de centrale nucleare puternice este în curs de dezvoltare. În prezent, în Rusia funcționează 10 centrale nucleare. După accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl au fost luate măsuri suplimentare pentru asigurarea siguranței reactoarelor nucleare.