Sastav jezgre atoma. Nuklearne sile. Defekt mase i energija vezanja atomske jezgre. Nuklearne reakcije. Nuklearna energija. Defekt mase i energija vezanja jezgre Defekt mase jezgre je razlika

Nuklearne sile

Da bi atomske jezgre bile stabilne, protone i neutrone unutar jezgre moraju držati ogromne sile, mnogo puta veće od sila Coulombovog odbijanja protona. Zovu se sile koje drže nukleone u jezgri nuklearna ... Oni su manifestacija najintenzivnije od svih vrsta interakcija poznatih u fizici – takozvane snažne interakcije. Nuklearne sile su otprilike 100 puta veće od elektrostatičkih sila i za desetke su redova veličine veće od sila gravitacijske interakcije nukleona.

Nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:

· Posjedovati sile privlačenja;

· Jesu sile kratak domet(pojavljuju se na malim udaljenostima između nukleona);

· Nuklearne sile ne ovise o prisutnosti ili odsutnosti električnog naboja u česticama.

Defekt mase i energija vezanja atomske jezgre

Ključna uloga u nuklearnoj fizici koncept igra energije vezanja jezgre .

Energija vezanja jezgre jednaka je minimalnoj energiji koja se mora utrošiti za potpuno cijepanje jezgre na zasebne čestice. Iz zakona održanja energije proizlazi da je energija veze jednaka energiji koja se oslobađa tijekom stvaranja jezgre iz pojedinih čestica.

Energija vezanja bilo koje jezgre može se odrediti točnim mjerenjem njezine mase. Trenutno su fizičari naučili mjeriti mase čestica - elektrona, protona, neutrona, jezgri itd. - s vrlo velikom točnošću. Ova mjerenja to pokazuju masa bilo koje jezgre M Ja sam uvijek manji od zbroja masa njegovih sastavnih protona i neutrona:

Masovna razlika se zove defekt mase... Defektom mase pomoću Einsteinove formule E = mc 2, može se odrediti energija koja se oslobađa tijekom formiranja dane jezgre, tj. energija vezanja jezgre E sv:

Ta se energija oslobađa tijekom stvaranja jezgre u obliku zračenja γ-kvanta.

B21 1), B22 1), B23 1), B24 1), B25 2)

Magnetno polje

Ako su dva paralelna vodiča spojena na izvor struje tako da struja, tada se, ovisno o smjeru struje u njima, vodiči ili odbijaju ili privlače.

Objašnjenje ovog fenomena moguće je sa stajališta nastanka oko vodiča posebne vrste materije – magnetskog polja.

Sile kojima vodiči međusobno djeluju na struju nazivaju se magnetski.

Magnetno polje- ovo je posebna vrsta materije, čija je specifičnost djelovanje na električni naboj koji se kreće, vodiče sa strujom, tijela s magnetskim momentom, sa silom koja ovisi o vektoru brzine naboja, smjeru struje u vodiča i na smjeru magnetskog momenta tijela.

Povijest magnetizma seže u duboku antiku, u drevne civilizacije Male Azije. Na području Male Azije, u Magneziji, pronađena je stijena čiji su se uzorci međusobno privlačili. Prema nazivu područja, takvi su se uzorci počeli zvati "magneti". Svaki magnet u obliku šipke ili potkove ima dva kraja, koji se nazivaju polovi; upravo na tom mjestu najviše dolaze do izražaja njegova magnetska svojstva. Ako magnet objesite na konac, jedan pol će uvijek biti usmjeren na sjever. Kompas se temelji na ovom principu. Pol slobodno visećeg magneta okrenut prema sjeveru naziva se sjeverni pol magneta (N). Suprotni pol naziva se južni pol (S).

Magnetski polovi međusobno djeluju: poput polova se odbijaju, a za razliku od polova privlače. Slično konceptu električnog polja koje okružuje električni naboj, uvodi se koncept magnetskog polja oko magneta.

Godine 1820. Oersted (1777.-1851.) otkrio je da se magnetska igla koja se nalazi uz električni vodič skreće kada struja teče kroz vodič, tj. da se oko vodiča sa strujom stvara magnetsko polje. Ako uzmemo okvir sa strujom, tada vanjsko magnetsko polje stupa u interakciju s magnetskim poljem okvira i na njega vrši orijentacijski učinak, odnosno postoji položaj okvira u kojem vanjsko magnetsko polje vrši maksimalnu rotaciju učinak na njega, a postoji položaj kada su sile momenta nula.

Magnetno polje u bilo kojoj točki može se okarakterizirati vektorom B, koji se naziva vektor magnetske indukcije ili magnetska indukcija u točki.

Magnetska indukcija B je vektorska fizička veličina koja je sila karakteristična za magnetsko polje u točki. On je jednak omjeru maksimalnog mehaničkog momenta sila koje djeluju na okvir sa strujom, smješten u jednolično polje, i umnoška struje u okviru po njegovoj površini:

Za smjer vektora magnetske indukcije B uzima se smjer pozitivne normale na okvir, koji je po pravilu desnog vijka povezan sa strujom u okviru, s mehaničkim momentom jednakim nuli.

Na isti način kao što su prikazane linije jakosti električnog polja, prikazane su i linije magnetskog polja. Linija indukcije magnetskog polja je zamišljena linija čija se tangenta poklapa sa smjerom B u točki.

Smjer magnetskog polja u danoj točki također se može definirati kao smjer koji ukazuje

sjeverni pol igle kompasa postavljene u ovoj točki. Vjeruje se da su linije indukcije magnetskog polja usmjerene od sjevernog pola prema jugu.

Smjer magnetskih indukcijskih linija magnetskog polja stvorenog električnom strujom koja teče ravnim vodičem određen je pravilom kardana ili desnog vijka. Za smjer linija magnetske indukcije uzima se smjer vrtnje glave vijka, koji bi osigurao njeno translacijsko kretanje u smjeru električne struje (slika 59).

gdje je n 01 = 4 Pi 10 -7 V s / (A m). - magnetska konstanta, R - udaljenost, I - jakost struje u vodiču.

Za razliku od linija intenziteta elektrostatičkog polja, koje počinju pozitivnim nabojem, a završavaju negativnim, linije indukcije magnetskog polja su uvijek zatvorene. Nije pronađen magnetski naboj sličan električnom.

Kao jedinica indukcije uzima se jedna tesla (1 T) - indukcija takvog jednolikog magnetskog polja, u kojem maksimalni rotirajući mehanički moment sila jednak 1 N m djeluje na okvir površine 1 m 2 , kroz koji teče struja od 1 A.

Indukciju magnetskog polja može se odrediti i sila koja djeluje na vodič sa strujom u magnetskom polju.

Amperska sila djeluje na vodič sa strujom, smješten u magnetsko polje, čija je veličina određena sljedećim izrazom:

gdje je I struja u vodiču, l - duljina vodiča, V je modul vektora magnetske indukcije, a kut između vektora i smjera struje.

Smjer Amperove sile može se odrediti prema pravilu lijeve ruke: dlan lijeve ruke se postavi tako da linije magnetske indukcije ulaze u dlan, četiri prsta se stave u smjeru struje u vodiču, zatim savijeni palac pokazuje smjer Amperove sile.

Uzimajući u obzir da je I = q 0 nSv, i zamjenom ovog izraza u (3.21), dobivamo F = q 0 nSh / B sin a... Broj čestica (N) u danom volumenu vodiča jednak je N = nSl, tada je F = q 0 NvB sin a.

Definirajmo silu koja djeluje sa strane magnetskog polja na pojedinačnu nabijenu česticu koja se kreće u magnetskom polju:

Ta se sila naziva Lorentzova sila (1853-1928). Smjer Lorentzove sile možemo odrediti pravilom lijeve ruke: dlan lijeve ruke stavimo tako da linije magnetske indukcije uđu u dlan, četiri prsta pokazuju smjer kretanja pozitivnog naboja, veliki savijeni prst pokazat će smjer Lorenzove sile.

Sila interakcije između dva paralelna vodiča kroz koje teku struje I 1 i I 2 jednaka je:

gdje l - dio vodiča u magnetskom polju. Ako su struje u jednom smjeru, tada se vodiči privlače (slika 60), ako su u suprotnom smjeru, odbijaju se. Sile koje djeluju na svaki vodič jednake su po veličini, suprotnog smjera. Formula (3.22) je osnova za određivanje jedinice struje 1 amper (1 A).

Magnetska svojstva tvari karakterizira skalarna fizička veličina – magnetska permeabilnost, koja pokazuje koliko se puta indukcija B magnetskog polja u tvari koja potpuno ispunjava polje razlikuje po veličini od indukcije B 0 magnetskog polja u vakuum:

Prema svojim magnetskim svojstvima sve se tvari dijele na dijamagnetski, paramagnetski i feromagnetski.

Razmotrite prirodu magnetskih svojstava tvari.

Elektroni u ljusci atoma tvari kreću se različitim putanjama. Radi jednostavnosti, smatramo da su ove orbite kružne, a svaki elektron koji se okreće oko atomske jezgre može se smatrati kružnom električnom strujom. Svaki elektron, poput kružne struje, stvara magnetsko polje, koje ćemo nazvati orbitalnim. Osim toga, elektron u atomu ima svoje magnetsko polje, koje se naziva spin.

Ako se, kada se uvede u vanjsko magnetsko polje s indukcijom B 0, unutar tvari se stvori indukcija B< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

V dijamagnetski materijala u odsutnosti vanjskog magnetskog polja magnetska polja elektroni se kompenziraju, a kada se uvedu u magnetsko polje, indukcija magnetskog polja atoma postaje usmjerena protiv vanjskog polja. Dijamagnet se istiskuje iz vanjskog magnetskog polja.

Imati paramagnetski materijala, magnetska indukcija elektrona u atomima nije u potpunosti kompenzirana, a atom kao cjelina ispada poput malog trajnog magneta. Obično su u tvari svi ovi mali magneti orijentirani proizvoljno, a ukupna magnetska indukcija svih njihovih polja je nula. Ako paramagnet postavite u vanjsko magnetsko polje, tada će se svi mali magneti - atomi okrenuti u vanjskom magnetskom polju poput strelica kompasa i magnetsko polje u tvari se pojačava ( n >= 1).

feromagnetski takvi se materijali nazivaju u kojima n„1. U feromagnetskim materijalima stvaraju se tzv. domene, makroskopska područja spontane magnetizacije.

U različitim domenama indukcije magnetskih polja imaju različite smjerove (slika 61) iu velikom kristalu

međusobno kompenziraju jedni druge. Kada se feromagnetski uzorak unese u vanjsko magnetsko polje, granice pojedinih domena se pomiču tako da se povećava volumen domena orijentiranih duž vanjskog polja.

Povećanjem indukcije vanjskog polja B 0 raste i magnetska indukcija magnetizirane tvari. Pri nekim vrijednostima B 0 indukcija prestaje naglo rasti. Taj se fenomen naziva magnetsko zasićenje.

Istaknuta značajka feromagnetski materijali - fenomen histereze, koji se sastoji u dvosmislenoj ovisnosti indukcije u materijalu o indukciji vanjskog magnetskog polja kada se mijenja.

Petlja magnetske histereze je zatvorena krivulja (cdc`d`c), koja izražava ovisnost indukcije u materijalu o amplitudi indukcije vanjskog polja s periodičnom prilično sporom promjenom potonjeg (slika 62) .

Histereznu petlju karakteriziraju sljedeće vrijednosti B s, B r, B c. B s - maksimalna vrijednost indukcije materijala na B 0s; B r - zaostala indukcija, jednaka vrijednosti indukcije u materijalu sa smanjenjem indukcije vanjskog magnetskog polja od B 0s na nulu; -B c i B c - koercitivna sila - vrijednost jednaka indukciji vanjskog magnetskog polja koja je potrebna za promjenu indukcije u materijalu s preostale na nulu.

Za svaki feromagnet postoji takva temperatura (Curiejeva točka (J. Curie, 1859-1906), iznad koje feromagnet gubi svoja feromagnetska svojstva.

Postoje dva načina da se magnetizirani feromagnet dovede u demagnetizirano stanje: a) zagrijavanje iznad Curiejeve točke i hlađenje; b) magnetizirati materijal izmjeničnim magnetskim poljem s polagano opadajućom amplitudom.

Feromagneti s niskom zaostalom indukcijom i koercitivnom silom nazivaju se meki magneti. Primjenu nalaze u uređajima u kojima se feromagnet često mora ponovno magnetizirati (jezgre transformatora, generatora itd.).

Za proizvodnju trajnih magneta koriste se tvrdi magnetski feromagneti s velikom koercitivnom silom.

B21 2) Foto efekt. fotoni

Fotoelektrični efekt otkrio je 1887. njemački fizičar G. Hertz, a eksperimentalno ga je istražio AG Stoletov 1888.-1890. Najcjelovitiju studiju fenomena fotoelektričnog efekta proveo je F. Lenard 1900. godine. U to vrijeme elektron je već bio otkriven (1897., J. Thomson) i postalo je jasno da fotoefekt (ili, više upravo vanjski fotoefekt) sastoji se u izdvajanju elektrona iz materije pod utjecajem svjetlosti koja na nju pada.

Shema eksperimentalne postavke za proučavanje fotoelektričnog efekta prikazana je na Sl. 5.2.1.

U pokusima smo koristili stakleni vakuum balon s dvije metalne elektrode čija je površina temeljito očišćena. Na elektrode je primijenjen neki napon U, čiji se polaritet može promijeniti pomoću dvostruke tipke. Jedna od elektroda (katoda K) kroz kvarcni prozor osvijetljena je monokromatskom svjetlošću određene valne duljine λ. Uz konstantan svjetlosni tok izmjerena je ovisnost jakosti fotostruje ja od primijenjenog napona. Na sl. 5.2.2 prikazuje tipične krivulje ove ovisnosti dobivene pri dvije vrijednosti intenziteta svjetlosnog toka koji upada na katodu.

Krivulje pokazuju da pri dovoljno visokim pozitivnim naponima na anodi A fotostruja dostiže zasićenje, budući da svi elektroni povučeni svjetlošću s katode dospiju do anode. Pažljiva mjerenja su pokazala da struja zasićenja ja n je izravno proporcionalan intenzitetu upadne svjetlosti. Kada je anodni napon negativan, električno polje između katode i anode, elektroni se usporavaju. Do anode mogu doći samo oni elektroni čija kinetička energija prelazi | eU|. Ako je anodni napon manji od - U s, fotostruja prestaje. Mjerenje U s, možete odrediti maksimalnu kinetičku energiju fotoelektrona:

Brojni eksperimentatori su ustanovili sljedeće osnovne zakone fotoelektričnog efekta:

Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno s povećanjem frekvencije svjetlosti ν i ne ovisi o njezinom intenzitetu.
Za svaku tvar postoji tzv crveni obrub foto efekt , tj. najniža frekvencija ν min, na kojoj je vanjski fotoelektrični efekt još uvijek moguć.
Broj fotoelektrona koje svjetlost izbaci iz katode u 1 s izravno je proporcionalan intenzitetu svjetlosti.
Fotoelektrični efekt je praktički bez inercije, fotostruja se pojavljuje odmah nakon početka osvjetljenja katode, pod uvjetom da je frekvencija svjetlosti ν> ν min.

Sve te pravilnosti fotoelektričnog efekta u osnovi su bile u suprotnosti s idejama klasične fizike o interakciji svjetlosti s materijom. Prema konceptima valova, pri interakciji s elektromagnetskim svjetlosnim valom, elektron bi morao postupno akumulirati energiju, a trebalo bi mu značajno vrijeme, ovisno o intenzitetu svjetlosti, da akumulira dovoljno energije da izleti iz katoda. Izračuni pokazuju da je ovo vrijeme trebalo biti izračunato u minutama ili satima. Međutim, iskustvo pokazuje da se fotoelektroni pojavljuju odmah nakon početka osvjetljenja katode. U ovom modelu također je bilo nemoguće razumjeti postojanje crvene granice fotoelektričnog efekta. Valna teorija svjetlosti nije mogla objasniti neovisnost energije fotoelektrona od intenziteta svjetlosnog toka i proporcionalnost maksimalne kinetičke energije frekvenciji svjetlosti.

Dakle, elektromagnetska teorija svjetlosti nije mogla objasniti ove obrasce.

Izlaz je pronašao A. Einstein 1905. Teorijsko objašnjenje uočenih pravilnosti fotoelektričnog efekta dao je Einstein na temelju hipoteze M. Plancka da svjetlost emitiraju i apsorbiraju određeni dijelovi, a energija svakog udio se određuje formulom E = hν, gdje h Je li Planckova konstanta. Einstein je napravio sljedeći korak u razvoju kvantnih koncepata. On je to zaključio svjetlost ima diskontinuiranu (diskretnu) strukturu. Elektromagnetski val sastoji se od zasebnih dijelova - kvanta naknadno imenovan fotona... Kada je u interakciji s materijom, foton u potpunosti prenosi svu svoju energiju hν na jedan elektron. Dio te energije može raspršiti elektron u sudarima s atomima tvari. Osim toga, dio energije elektrona troši se na prevladavanje potencijalne barijere na sučelju metal – vakuum. Za to elektron mora izvršiti izlazni rad A ovisno o svojstvima katodnog materijala. Najveća kinetička energija koju fotoelektron izbačen iz katode može imati određena je zakonom o očuvanju energije:

Ova formula se obično naziva Einsteinova jednadžba za fotoelektrični efekt .

Uz pomoć Einsteinove jednadžbe moguće je objasniti sve zakonitosti vanjskog fotoelektričnog efekta. Einsteinova jednadžba podrazumijeva linearnu ovisnost maksimalne kinetičke energije o frekvenciji i neovisnost o intenzitetu svjetlosti, postojanje crvene granice i inercijalnost fotoelektričnog efekta. Ukupni broj fotoelektrona koji napuštaju površinu katode u 1 s trebao bi biti proporcionalan broju fotona koji upadaju na površinu tijekom istog vremena. Iz ovoga slijedi da struja zasićenja treba biti izravno proporcionalna intenzitetu svjetlosnog toka.

Kao što slijedi iz Einsteinove jednadžbe, tangenta nagiba ravne linije koja izražava ovisnost potencijala zaključavanja U s od frekvencije ν (slika 5.2.3), jednak je omjeru Planckove konstante h na naboj elektrona e:

gdje c Je brzina svjetlosti, λ cr valna duljina koja odgovara crvenoj granici fotoelektričnog efekta. Većina metala ima radnu funkciju A je nekoliko elektron-volti (1 eV = 1,602 · 10 -19 J). U kvantnoj fizici, elektron volt se često koristi kao mjerna jedinica energije. Vrijednost Planckove konstante, izražena u elektron-voltima u sekundi, je

Među metalima, alkalni elementi imaju najnižu radnu funkciju. Na primjer, natrij A= 1,9 eV, što odgovara crvenoj granici fotoelektričnog efekta λ cr ≈ 680 nm. Stoga se spojevi alkalnih metala koriste za stvaranje katoda u fotoćelije dizajniran za registriranje vidljive svjetlosti.

Dakle, zakoni fotoelektričnog efekta pokazuju da se svjetlost, kada se emitira i apsorbira, ponaša poput struje čestica, tzv. fotona ili svjetlosni kvanti .

Energija fotona je

slijedi da foton ima zamah

Tako se teorija svjetlosti, nakon što je dovršila revoluciju u trajanju od dva stoljeća, ponovno vratila konceptu svjetlosnih čestica – korpuskula.

Ali to nije bio mehanički povratak Newtonovoj korpuskularnoj teoriji. Početkom 20. stoljeća postalo je jasno da svjetlost ima dvojaku prirodu. Pri širenju svjetlosti očituju se njena valna svojstva (interferencija, difrakcija, polarizacija), a pri interakciji s materijom - korpuskularno (fotoelektrični efekt). Ova dvojna priroda svjetlosti se zove dualnost val-čestica ... Kasnije je otkrivena dvojna priroda elektrona i drugih elementarnih čestica. Klasična fizika ne može pružiti vizualni model kombinacije valnih i korpuskularnih svojstava u mikro-objektima. Kretanjem mikro-objekata ne upravljaju zakoni klasične Newtonove mehanike, već zakoni kvantne mehanike. Teorija zračenja crnog tijela, koju je razvio M. Planck, i kvantna teorija Einsteinovog fotoelektričnog učinka leže u temelju ove moderne znanosti.

B23 2) Posebna teorija relativnosti, kao i svaka druga fizikalna teorija, može se formulirati na temelju osnovnih pojmova i postulata (aksioma) plus pravila korespondencije s njezinim fizičkim objektima.

Osnovni pojmovi [uredi | uredi wiki tekst]

Referentni okvir je određeno materijalno tijelo, odabrano kao početak ovog okvira, metoda za određivanje položaja objekata u odnosu na početak referentnog okvira i metoda za mjerenje vremena. Obično se pravi razlika između referentnih sustava i koordinatnih sustava. Dodavanje postupka mjerenja vremena u koordinatni sustav "pretvara" ga u referentni sustav.

Inercijski referentni okvir (IRF) je sustav u odnosu na koji se objekt, koji nije podložan vanjskim utjecajima, giba jednoliko i pravocrtno. Pretpostavlja se da IFR postoje, a svaki referentni okvir koji se kreće jednoliko i pravolinijski u odnosu na dati inercijski sustav je također IFR.

Događaj je svaki fizički proces koji se može lokalizirati u prostoru i vrlo kratkog trajanja. Drugim riječima, događaj je u potpunosti karakteriziran koordinatama (x, y, z) i trenutkom vremena t. Primjeri događaja su: bljesak svjetlosti, položaj materijalne točke u danom trenutku, itd.

Obično se razmatraju dva inercijska sustava S i S. "Vrijeme i koordinate događaja, mjerene u odnosu na sustav S, označavaju se kao (t, x, y, z), a koordinate i vrijeme istog događaja, mjereno u odnosu na S sustav," kao (t ", x", y ", z"). Zgodno je pretpostaviti da su koordinatne osi sustava paralelne jedna s drugom, a sustav S" kreće se duž x-osi sustava S brzinom v. , x, y, z), koje se nazivaju Lorentzove transformacije .

Sinkronizacija vremena [uredi | uredi wiki tekst]

SRT postulira mogućnost određivanja ujednačenog vremena u okviru zadanog inercijalnog referentnog sustava. Za to je uveden postupak za sinkronizaciju dva sata koji se nalaze na različitim točkama ISO-a. Neka se signal (ne nužno svjetlo) šalje od prvog sata po jednom (\ displaystyle t_ (1)) do drugog sa konstantnom brzinom (\ displaystyle u). Čim dosegne drugi sat (prema očitanju u trenutku (\ displaystyle T)), signal se šalje natrag istom konstantnom brzinom (\ displaystyle u) i doseže prve sate u trenutku (\ displaystyle t_ (2 )). Satovi se smatraju sinkroniziranim ako (\ displaystyle T = (t_ (1) + t_ (2)) / 2).

Pretpostavlja se da se takav postupak u danom inercijskom referentnom sustavu može provesti za bilo koji sat koji je nepomičan jedan u odnosu na drugi, tako da je svojstvo tranzitivnosti istinito: ako je sat A sinkroniziran sa satom B i sat B sinkroniziran sa satom C onda gledaj A i C također će se sinkronizirati.

Za razliku od klasične mehanike, jedno vrijeme se može unijeti samo u okviru zadanog referentnog okvira. U SRT-u se ne pretpostavlja da je vrijeme zajedničko za različite sustave. To je glavna razlika između SRT aksiomatike i klasične mehanike, koja postulira postojanje jednog (apsolutnog) vremena za sve referentne okvire.

Sukladnost mjernih jedinica [uredi | uredi wiki tekst]

Kako bi mjerenja u različitim ISO-ima bila međusobno usporediva, potrebno je uskladiti mjerne jedinice između referentnih sustava. Dakle, jedinice duljine mogu se upariti uspoređivanjem standarda duljine u smjeru okomitom na relativno gibanje inercijskih referentnih okvira. Na primjer, to može biti najkraća udaljenost između putanja dviju čestica koje se kreću paralelno s x i x "osama i imaju različite, ali konstantne koordinate (y, z) i (y", z "). Može se koristiti identičan sat da odgovara vremenskim jedinicama, na primjer, atomskim.

SRT postulati [uredi | uredi wiki tekst]

Prije svega, u SRT-u, kao iu klasičnoj mehanici, pretpostavlja se da su prostor i vrijeme homogeni, a prostor je također izotropan. Točnije (moderni pristup), inercijski referentni okviri su zapravo definirani kao takvi referentni okviri u kojima je prostor homogen i izotropan, a vrijeme homogeno. U stvari, postojanje takvih referentnih okvira je postulirano.

Postulat 1 (Einsteinov princip relativnosti). Zakoni prirode isti su u svim koordinatnim sustavima koji se kreću pravocrtno i jednolično jedan u odnosu na drugi. Znači da oblik ovisnost fizikalnih zakona o prostorno-vremenskim koordinatama trebala bi biti ista u svim IFR-ovima, odnosno zakoni su invarijantni s obzirom na prijelaze između IFR-ova. Načelo relativnosti uspostavlja jednakost svih ISO-ova.

Uzimajući u obzir Newtonov drugi zakon (ili Euler-Lagrangeove jednadžbe u Lagrangeovoj mehanici), može se tvrditi da ako je brzina tijela u danom IFR-u konstantna (ubrzanje je nula), onda mora biti konstantna u svim ostalim IFR-ovima . Ovo se ponekad pogrešno smatra definicijom ISO-a.

Formalno, Einsteinov princip relativnosti proširio je klasično načelo relativnosti (Galileo) s mehaničkih na sve fizičke pojave. No, ako uzmemo u obzir da je u doba Galilea fizika i sama bila u mehanici, onda se klasični princip može smatrati i proširenim na sve fizičke pojave. Uključujući to bi se trebalo odnositi na elektromagnetske pojave opisano Maxwellovim jednadžbama. Međutim, prema potonjem (a to se može smatrati empirijski utvrđenim, budući da su jednadžbe izvedene iz empirijski otkrivenih pravilnosti), brzina širenja svjetlosti je određena veličina koja ne ovisi o brzini izvora (barem u jednom referentni okvir). U ovom slučaju, načelo relativnosti kaže da ne bi trebalo ovisiti o brzini izvora u svim IFR-ovima zbog njihove jednakosti. To znači da bi trebao biti konstantan u svim ISO-ovima. Ovo je bit drugog postulata:

Postulat 2 (princip konstantnosti brzine svjetlosti). Brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je u svim koordinatnim sustavima koji se kreću pravocrtno i jednoliko jedan u odnosu na drugi.

Načelo postojanosti brzine svjetlosti proturječi klasičnoj mehanici, a posebno - zakonu zbrajanja brzina. Pri izvođenju potonjeg koristi se samo Galileovo načelo relativnosti i implicitna pretpostavka istoga vremena u svim IFR-ovima. Dakle, iz valjanosti drugog postulata proizlazi da vrijeme treba biti srodnika- nije isto u različitim ISO. Iz ovoga nužno proizlazi da i "udaljenosti" moraju biti relativne. Doista, ako svjetlost prijeđe udaljenost između dviju točaka u nekom vremenu, au drugom sustavu - u drugom vremenu i, štoviše, istom brzinom, onda odmah slijedi da bi udaljenost u ovom sustavu trebala biti drugačija.

Treba napomenuti da svjetlosni signali, općenito govoreći, nisu potrebni kada se opravdava SRT. Iako je neinvarijantnost Maxwellovih jednadžbi u odnosu na Galilejeve transformacije dovela do konstrukcije STR, potonja je općenitije prirode i primjenjiva je na sve vrste interakcija i fizikalnih procesa. Osnovna konstanta (\ displaystyle c) koja se javlja u Lorentzovoj transformaciji ima smisla ultimativno brzina kretanja materijalnih tijela. Brojčano se poklapa sa brzinom svjetlosti, ali je ta činjenica, prema modernoj kvantnoj teoriji polja (čije su jednadžbe u početku konstruirane kao relativistički nepromjenjive), povezana s bezmasenošću elektromagnetskog polja (fotona). Čak i da foton ima masu različitu od nule, Lorentzove transformacije se ne bi promijenile iz ovoga. Stoga ima smisla razlikovati temeljnu brzinu (\ displaystyle c) i brzinu svjetlosti (\ displaystyle c_ (em)). Prva konstanta odražava opća svojstva prostora i vremena, dok je druga povezana sa svojstvima određene interakcije.

Također se koristi i postulat uzročnosti: svaki događaj može utjecati samo na događaje koji su se dogodili nakon njega i ne može utjecati na događaje koji su se dogodili prije njega. Iz postulata o uzročnosti i neovisnosti brzine svjetlosti od izbora referentnog okvira, slijedi da brzina bilo kojeg signala ne može premašiti brzinu svjetlosti

B24 2) Osnovni pojmovi nuklearne fizike. Radioaktivnost. Vrste radioaktivnog raspada.

Nuklearna fizika- Ovo je grana fizike u kojoj se proučava struktura i svojstva atomskih jezgri. Nuklearna fizika također se bavi proučavanjem međupretvorbe atomskih jezgri, koje nastaju i kao posljedica radioaktivnih raspada i kao posljedica raznih nuklearnih reakcija. Njegova glavna zadaća odnosi se na razjašnjenje prirode nuklearnih sila koje djeluju između nukleona, te osobitosti gibanja nukleona u jezgrama. Protoni i neutroni- to su glavne elementarne čestice koje čine jezgru atoma. nukleon je čestica s dva različita stanja naboja: proton i neutron. Naboj jezgre- broj protona u jezgri, isti kao i atomski broj elementa u periodnom sustavu Mendeljejeva. Izotopi- jezgre istog naboja, ako je maseni broj nukleona različit.

Izobare su jezgre s istim brojem nukleona i različitim nabojem.

Nuklid je konkretna jezgra s vrijednostima. Specifična energija veze je energija vezanja po nukleonu jezgre. Određuje se eksperimentalno. Osnovno stanje jezgre- to je stanje jezgre, koja ima najmanju moguću energiju, jednaku energiji vezivanja. Pobuđeno stanje jezgre- ovo je stanje jezgre, koja ima energiju visoke energije vezanja. Dualizam valova i korpuskula. Foto efekt Svjetlost ima dualnu prirodu val-čestica, tj. dualizam val-čestica: prvo: ima valna svojstva; drugo: djeluje kao tok čestica – fotona. Elektromagnetsko zračenje se ne emitira samo u kvantima, već se širi i apsorbira u obliku čestica (korpuskula) elektromagnetskog polja – fotona. Fotoni su zapravo postojeće čestice elektromagnetskog polja. Kvantizacija je metoda odabira orbita elektrona koje odgovaraju stacionarnim stanjima atoma.

RADIOAKTIVNOST

radioaktivnost - sposobnost atomske jezgre da se spontano raspadne emisijom čestica naziva se. Spontani raspad nuklearnih izotopa u uvjetima prirodno okruženje se zovu prirodna radioaktivnost - to je radioaktivnost koja se može uočiti u prirodnim nestabilnim izotopima. I u laboratorijskim uvjetima kao rezultat ljudske aktivnosti – umjetna radioaktivnost - to je radioaktivnost izotopa dobivenih kao rezultat nuklearnih reakcija. Radioaktivnost je popraćena

transformacija jednog kemijskog elementa u drugi i uvijek je popraćena oslobađanjem energije.Za svaki radioaktivni element utvrđuju se kvantitativne procjene. Dakle, vjerojatnost raspada jednog atoma u jednoj sekundi je karakterizirana stalnim raspadom danog elementa, a vrijeme koje je potrebno da se polovica radioaktivnog uzorka raspadne naziva se poluživotom.Broj radioaktivnih raspada u uzorak u jednoj sekundi naziva se aktivnost radioaktivnog lijeka. Jedinica aktivnosti u SI sustavu je Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 raspad / 1 s.

Radioaktivni raspad je statički proces u kojem se jezgre radioaktivnog elementa raspadaju neovisno jedna o drugoj. VRSTE RADIOAKTIVNOG RASPADA

Glavne vrste radioaktivnog raspada su:

Alfa raspad

Alfa čestice emitiraju samo teške jezgre, t.j. koji sadrži veliki broj protona i neutrona. Snaga teških jezgri je niska. Da bi napustio jezgru, nukleon mora savladati nuklearne sile, a za to mora imati dovoljno energije. Kada se dva protona i dva neutrona spoje u alfa česticu, nuklearne sile u takvoj kombinaciji su najjače, a veze s drugim nukleonima slabije, pa je alfa čestica sposobna "izaći" iz jezgre. Pobjegla alfa čestica nosi pozitivan naboj od 2 jedinice i masu od 4 jedinice. Kao rezultat alfa raspada radioaktivni element se pretvara u drugi element čiji je redni broj 2 jedinice, a maseni broj manji za 4. Jezgra koja se raspada naziva se matična jezgra, a nastala kćerka. Kćeri jezgra obično je također radioaktivna i nakon nekog vremena se raspada. Proces radioaktivnog raspada događa se sve dok se ne pojavi stabilna jezgra, najčešće olovna ili bizmutova jezgra.

Istraživanja pokazuju da su atomske jezgre stabilne formacije. To znači da postoji određena veza između nukleona u jezgri.

Masa jezgri može se vrlo precizno odrediti pomoću masenih spektrometara - mjernih instrumenata koji odvajaju snopove nabijenih čestica (obično iona) s različitim specifičnim nabojem Q/m pomoću električnih i magnetskih polja. Mjerenja masene spektrometrije pokazala su da masa jezgre manja je od zbroja masa njenih sastavnih nukleona. Ali budući da svaka promjena mase (vidi § 40) mora odgovarati promjeni energije, onda se, posljedično, mora osloboditi određena energija tijekom stvaranja jezgre. Iz zakona održanja energije proizlazi suprotno: da bi se jezgra odvojila na sastavne dijelove, potrebno je potrošiti istu količinu energije koja se oslobađa tijekom njenog formiranja. Energija koja se mora potrošiti da bi se jezgra podijelila na pojedinačne nukleone naziva se energija vezanja jezgre (vidi § 40).

Prema izrazu (40.9), energija vezanja nukleona u jezgri

gdje t p, t n, t i - odnosno mase protona, neutrona i jezgre. Tablice obično ne prikazuju težine. T, jezgre i mase T atoma. Stoga, za energiju vezanja jezgre upotrijebite formulu

gdje je m n masa atoma vodika. Budući da je m n veći od m p za iznos m e, tada prvi član u uglatim zagradama uključuje masu Z elektrona. Ali budući da se masa atoma m razlikuje od mase jezgre m Ja sam samo zbog težine Z elektrona, onda proračuni po formulama (252.1) i (252.2) dovode do istih rezultata. Veličina

naziva se defekt nuklearne mase. Za taj iznos smanjuje se masa svih nukleona kada se od njih formira atomska jezgra.

Često se umjesto energije vezanja "razmatra specifična energija vezanja 8E a je energija vezanja po nukleonu. Karakterizira stabilnost (snagu) atomskih jezgri, odnosno što je više dE sv, to je jezgra stabilnija. Specifična energija vezanja ovisi o masenom broju A element (sl. 342). Za lake jezgre (A £ 12), specifična energija vezanja naglo raste na 6¸7 MeV, prolazeći kroz niz skokova (na primjer, za 2 1 H dE bv = 1,1 MeV, za 2 4 He - 7,1 MeV, za 6 3 Li - 5,3 MeV), zatim raste sporije do maksimalne vrijednosti od 8,7 MeV za elemente s A = 50 - 60, a zatim postupno opada za teške elemente (na primjer, za 238 92 U iznosi 7,6 MeV). Napomenimo radi usporedbe da je energija vezanja valentnih elektrona u atomima oko 10 eV (10 6 puta manje).

Smanjenje specifične energije vezanja pri odlasku na teške elemente objašnjava se činjenicom da s povećanjem broja protona u jezgri raste i njihova energija. Coulomb odbijanje. Stoga veza između nukleona postaje manje jaka, a same jezgre manje su jake.

Najstabilnije su takozvane magične jezgre, u kojima je broj protona ili broj neutrona jednak jednom od magičnih brojeva: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Posebno stabilne su dvostruko magične jezgre, u kojima je i broj protona i broj neutrona (ovih jezgri ima samo pet: 2 4 He, 16 8 O, 40 20 Ca, 48 20 Ca, 208 82 Ru.

Od sl. 342 proizlazi da su s energetskog stajališta najstabilnije jezgre srednjeg dijela periodnog sustava. Teške i lagane jezgre su manje stabilne. To znači da su energetski povoljni sljedeći procesi: 1) cijepanje teških jezgri u lakše; 2) spajanje lakih jezgri jedna s drugom u teže. Oba procesa oslobađaju ogromnu količinu energije; ovi procesi se trenutno provode u praksi: fisijske reakcije i termonuklearne reakcije.

Kao što je već navedeno (vidi § 138), nukleoni su čvrsto vezani u jezgri atoma nuklearnim silama. Za raskid te veze, odnosno za potpuno odvajanje nukleona, potrebno je utrošiti određenu količinu energije (za obavljanje nekog posla).

Energija potrebna za odvajanje nukleona koji čine jezgru naziva se energija vezanja jezgre. Vrijednost energije vezivanja može se odrediti na temelju zakona održanja energije (vidi § 18) i zakona proporcionalnosti mase i energije (vidi § 20).

Prema zakonu održanja energije, energija nukleona vezanih u jezgri trebala bi biti manja od energije nespregnutih nukleona za iznos energije vezanja jezgre 8. S druge strane, prema zakonu proporcionalnosti mase i energije, promjena energije sustava je popraćena proporcionalnom promjenom mase sustava

gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu. Budući da je u razmatranom slučaju energija vezanja jezgre, masa atomske jezgre mora biti manja od zbroja masa nukleona koji čine jezgru, za iznos koji se naziva defekt mase jezgre . Pomoću formule (10) može se izračunati energija vezanja jezgre ako je poznat defekt mase ove jezgre

Trenutno se mase atomskih jezgri određuju iz visoki stupanj točnost pomoću masenog spektrografa (vidi § 102); poznate su i mase nukleona (vidi § 138). To omogućuje određivanje defekta mase bilo koje jezgre i izračunavanje energije vezanja jezgre pomoću formule (10).

Kao primjer, izračunajmo energiju vezanja jezgre atoma helija. Sastoji se od dva protona i dva neutrona. Masa protona je masa neutrona Stoga je masa nukleona koji tvore jezgru jednaka Masi jezgre atoma helija Dakle, defekt atomske jezgre helija je

Tada je energija vezanja jezgre helija

Opća formula za izračunavanje energije vezivanja bilo koje jezgre u džulima iz njenog defekta mase očito će imati oblik

gdje je atomski broj, A - maseni broj. Izražavajući masu nukleona i jezgri u jedinicama atomske mase i uzimajući to u obzir

možete napisati formulu za energiju vezanja jezgre u megaelektronvoltima:

Energija vezanja jezgre po nukleonu naziva se specifična energija vezanja.

U jezgri helija

Specifična energija veze karakterizira stabilnost (snagu) atomskih jezgri: što je više unutra, to je jezgra stabilnija. Prema formulama (11) i (12),

Još jednom naglašavamo da su u formulama i (13) mase nukleona i jezgri izražene u jedinicama atomske mase (vidi § 138).

Formula (13) se može koristiti za izračunavanje specifične energije vezanja bilo koje jezgre. Rezultati ovih proračuna grafički su prikazani na Sl. 386; ordinata pokazuje specifične energije vezanja b, apscisa prikazuje masene brojeve A. Iz grafa slijedi da je specifična energija vezanja maksimalna (8,65 MeV) za jezgre s masenim brojevima reda 100; u teškim i lakim jezgrama nešto je manje (npr. uran, helij). Specifična energija vezanja atomske jezgre vodika je nula, što je sasvim razumljivo, budući da se u ovoj jezgri nema što odvajati: sastoji se od samo jednog nukleona (protona).

Svaka nuklearna reakcija je popraćena oslobađanjem ili apsorpcijom energije. Grafikon ovisnosti ovdje A omogućuje vam da odredite pri kojim transformacijama jezgre dolazi do oslobađanja energije i kod kojih - do njezine apsorpcije. Kada se teška jezgra podijeli na jezgre s masenim brojem A reda 100 (ili više), oslobađa se energija (nuklearna energija). Objasnimo to sljedećim obrazloženjem. Na primjer, neka se jezgra urana podijeli na dva dijela

atomskih jezgri ("fragmenta") s masenim brojevima Specifična energija vezanja jezgre urana Specifična energija vezanja svake nove jezgre

Kada se ti nukleoni spoje u dvije nove atomske jezgre s masenim brojem 119), oslobodit će se energija jednaka zbroju energija vezanja novih jezgri:

Posljedično, kao rezultat reakcije fisije jezgre urana, nuklearna energija će se osloboditi u količini koja je jednaka razlici između energije vezanja novih jezgri i energije vezanja jezgre urana:

Oslobađanje nuklearne energije također se događa u nuklearnim reakcijama drugačijeg tipa – kada se više lakih jezgri spoje (fuzije) u jednu jezgru. Doista, neka, na primjer, postoji sinteza dvije jezgre natrija u jezgru s masenim brojem. trošiti energiju jednaku dvostrukoj energiji vezanja jezgre natrija:

Kada se ti nukleoni spoje u novu jezgru (s masenim brojem 46), oslobodit će se energija jednaka energiji vezanja nove jezgre:

Posljedično, reakcija sinteze jezgri natrija je popraćena oslobađanjem nuklearne energije u količini koja je jednaka razlici između energije vezanja sintetizirane jezgre i energije vezanja jezgre natrija:

Dakle, dolazimo do zaključka da

oslobađanje nuklearne energije događa se i u reakcijama fisije teških jezgri i u reakcijama fuzije lakih jezgri. Količina nuklearne energije koju oslobađa svaka reagirala jezgra jednaka je razlici između energije vezivanja 82 produkta reakcije i energije vezivanja 81 početnog nuklearnog materijala:

Ova je odredba iznimno važna jer se na njoj temelje industrijske metode dobivanja nuklearne energije.

Imajte na umu da je najpovoljnija, u smislu prinosa energije, reakcija fuzije jezgri vodika ili deuterija

Budući da će, kako slijedi iz grafa (vidi sliku 386), u ovom slučaju razlika između energija vezanja sintetizirane jezgre i početnih jezgara bit će najveća.

Sastav atomske jezgre

Nuklearna fizika- znanost o strukturi, svojstvima i transformacijama atomskih jezgri. Godine 1911. E. Rutherford je u pokusima raspršenja a-čestica dok prolaze kroz tvar ustanovio da se neutralni atom sastoji od kompaktne pozitivno nabijene jezgre i oblaka negativnih elektrona. W. Heisenberg i D.D. Ivanenko je (neovisno) pretpostavio da se jezgra sastoji od protona i neutrona.

Atomska jezgra- središnji masivni dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona, koji se zajednički nazivaju nukleoni... Gotovo cijela masa atoma (više od 99,95%) koncentrirana je u jezgri. Veličine jezgri su reda 10 -13 - 10 -12 cm i ovise o broju nukleona u jezgri. Gustoća nuklearne tvari i za lake i za teške jezgre je gotovo jednaka i iznosi oko 10 17 kg/m 3, t.j. 1 cm 3 nuklearne tvari težio bi 100 milijuna tona Jezgre imaju pozitivan električni naboj jednak apsolutnoj vrijednosti ukupnog naboja elektrona u atomu.

Proton (simbol p) - elementarna čestica, jezgra 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 uobičajeno je izražavati mase u jedinicama atomske mase:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Prema tome, masa protona, izražena u amu, jednaka je

m p = 1,0075957 amu

Broj protona u jezgri naziva se broj naplate Z. On je jednak atomskom broju zadanog elementa i, stoga, određuje mjesto elementa u periodnom sustavu 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 = 1,008982 amu Broj neutrona u jezgri označava se sa N.

Ukupan broj protona i neutrona u jezgri (broj nukleona) naziva se ogroman broj i označena je slovom A,

Za označavanje jezgri koristi se simbol, gdje je X kemijski simbol elementa.

Izotopi- vrste atoma istog kemijskog elementa, čije atomske jezgre imaju isti broj protona (Z) i različit broj neutrona (N). Jezgre takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sustavu elemenata. Uzmimo za primjer izotope vodika:

Koncept nuklearnih sila.

Atomske jezgre su iznimno jake formacije, unatoč činjenici da se protoni sličnog naboja, nalazeći se na vrlo malim udaljenostima u atomskoj jezgri, moraju međusobno odbijati ogromnom snagom. Posljedično, unutar jezgre djeluju iznimno velike sile privlačenja između nukleona, koje mnogo puta premašuju električne sile odbijanja između protona. Nuklearne sile su posebna vrsta sila, najmoćnija od svih poznatih interakcija u prirodi.

Istraživanja su pokazala da nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:

nuklearne sile privlačenja djeluju između bilo kojeg nukleona, bez obzira na njihovo stanje naboja;
nuklearne sile privlačenja su kratkog dometa: djeluju između bilo koja dva nukleona na udaljenosti između središta čestica od oko 2 · 10 -15 m i naglo se smanjuju s povećanjem udaljenosti (na udaljenostima većim od 3 · 10 -15 m, već su praktički nula);
nuklearne sile karakteriziraju zasićenost, t.j. svaki nukleon može komunicirati samo s nukleonima najbliže jezgre;
nuklearne sile nisu središnje, t.j. ne djeluju duž linije koja spaja centre međudjelujućih nukleona.

Trenutno priroda nuklearnih sila nije u potpunosti shvaćena. Utvrđeno je da se radi o razmjeni tzv. Razmjenske sile su kvantne prirode i nemaju analoga u klasičnoj fizici. Nukleoni su povezani trećom česticom koju neprestano izmjenjuju. Japanski fizičar H. Yukawa je 1935. godine pokazao da nukleoni izmjenjuju čestice čija je masa oko 250 puta veća od mase elektrona. Predviđene čestice je 1947. godine otkrio engleski znanstvenik S. Powell u proučavanju kozmičkih zraka i kasnije ih nazvao p-mezoni ili pioni.

Međusobne transformacije neutrona i protona potvrđuju se raznim pokusima.

Defekt u masama atomskih jezgri. Energija vezanja atomske jezgre.

Nukleoni u atomskoj jezgri međusobno su povezani nuklearnim silama, stoga je, da bi se jezgra podijelila na njene pojedinačne protone i neutrone, potrebno potrošiti mnogo energije.

Minimalna energija potrebna za razdvajanje jezgre na sastavne nukleone naziva se energija vezanja jezgre... Ista količina energije oslobađa se ako se slobodni neutroni i protoni spoje i tvore jezgru.

Precizna masena spektroskopska mjerenja masa jezgri pokazala su da je masa mirovanja atomske jezgre manja od zbroja masa mirovanja slobodnih neutrona i protona od kojih je jezgra nastala. Razlika između zbroja masa mirovanja slobodnih nukleona, iz kojih nastaje jezgra, i mase jezgre naziva se defekt mase:

Ova razlika mase Dm odgovara energiji vezanja jezgre E sv definiran Einsteinovom relacijom:

ili, zamjenjujući izraz za D m, dobivamo:

Energija vezanja obično se izražava u megaelektronvoltima (MeV). Odredimo energiju veze koja odgovara jednoj atomskoj jedinici mase (, brzina svjetlosti u vakuumu):

Pretvorimo rezultirajuću vrijednost u elektronske volte:

U tom smislu, u praksi je prikladnije koristiti sljedeći izraz za energiju vezanja:

gdje je faktor Dm izražen u jedinicama atomske mase.

Važna karakteristika jezgre je specifična energija vezanja jezgre, t.j. energija vezanja po nukleonu:

Što je više, to su nukleoni jače povezani.

Ovisnost e o masenom broju jezgre prikazana je na slici 1. Kao što se vidi iz grafikona, nukleoni u jezgrama s masenim brojem reda 50-60 (Cr-Zn) su najjače vezani. Energija vezanja za te jezgre doseže

8,7 MeV / nukleon. S povećanjem A, specifična energija vezanja postupno opada.

Radioaktivno zračenje i njegove vrste. Zakon radioaktivnog raspada.

Francuski fizičar A. Becquerel 1896. godine. proučavajući luminescenciju uranovih soli, slučajno je otkrio njihovu spontanu emisiju zračenja nepoznate prirode koje je djelovalo na fotografsku ploču, ioniziralo zrak, prolazilo kroz tanke metalne ploče i uzrokovalo luminescenciju niza tvari.

Nastavljajući proučavanje ovog fenomena, Curijevi su otkrili da takvo zračenje nije karakteristično samo za uran, već i za mnoge druge teške elemente (torij, anemone, polonij, radij).

Otkriveno zračenje nazvano je radioaktivnim, a sam fenomen radioaktivnošću.

Daljnji eksperimenti su pokazali da vrsta kemikalije ne utječe na prirodu zračenja lijeka. veze, agregatno stanje, tlak, temperatura, električna i magnetska polja, t.j. svi oni utjecaji koji bi mogli dovesti do promjene stanja elektronske ljuske atoma. Prema tome, radioaktivna svojstva elementa su posljedica samo strukture njegove jezgre.

Spontana transformacija nekih atomskih jezgri u druge, praćena emisijom elementarnih čestica, naziva se radioaktivnost. Radioaktivnost se dijeli na prirodnu (opažena u nestabilnim izotopima koji postoje u prirodi) i umjetnu (opažena u izotopima dobivenim nuklearnim reakcijama). Među njima nema temeljne razlike, zakoni radioaktivne transformacije su isti. Radioaktivno zračenje ima složen sastav (slika 2).

- radijacija je tok jezgri helija,,, ima visoku ionizirajuću sposobnost i nisku prodornu sposobnost (apsorbira sloj aluminija s mm).

- radijacija- protok brzih elektrona. Ionizacijska moć je oko 2 reda veličine manja, a moć prodiranja je mnogo veća, apsorbira je sloj aluminija s mm.

- radijacija- kratkovalno elektromagnetsko zračenje s m i, kao rezultat, s izraženim korpuskularnim svojstvima, t.j. je tok kvanta. Ima relativno slabu ionizirajuću sposobnost i vrlo visoku sposobnost prodiranja (prolazi kroz sloj olova sa cm).

Pojedinačne radioaktivne jezgre prolaze transformacije neovisno jedna o drugoj. Stoga možemo pretpostaviti da je broj jezgri koje su se raspale tijekom vremena proporcionalan broju dostupnih radioaktivnih jezgri i vremenu:

Znak minus odražava činjenicu da se broj radioaktivnih jezgri smanjuje.

Konstanta radioaktivnog raspada karakteristična za danu radioaktivnu tvar određuje brzinu radioaktivnog raspada.

, ,

- zakon radioaktivnog raspada,

Broj jezgri u početnom trenutku vremena,

Broj neraspadnutih jezgri u isto vrijeme.

Broj neraspadnutih jezgri se eksponencijalno smanjuje.

Broj jezgri koje su se raspale tijekom vremena određen je izrazom

Vrijeme koje je potrebno da se polovina izvornog broja jezgri raspadne naziva se Pola zivota... Definirajmo njegovo značenje.

, , ,

, .

Vrijeme poluraspada za trenutno poznate radioaktivne jezgre kreće se od 3 × 10 -7 s do 5 × 10 15 godina.

Broj jezgara koje se raspadaju u jedinici vremena naziva se aktivnost elementa u radioaktivnom izvoru,

Aktivnost jedinice mase tvari je specifična aktivnost,

Jedinica aktivnosti u C je bekerel (Bq).

1 Bq - aktivnost elementa pri kojoj se 1 čin raspada događa u 1 s;

Izvansistemska jedinica radioaktivnosti je curie (Ki). 1Ki - aktivnost pri kojoj se 3,7 × 10 10 događaja raspada događa u 1 s.

Zakoni očuvanja radioaktivnih raspada i nuklearnih reakcija.

Atomska jezgra koja se raspada naziva se majčinski rezultirajuća jezgra je podružnica.

Radioaktivni raspad događa se u skladu s takozvanim pravilima pomaka, koja omogućuju određivanje koja jezgra nastaje kao rezultat raspada dane roditeljske jezgre.

Pravila pomaka posljedica su dvaju zakona koji vrijede za radioaktivne raspade.

1.Zakon održanja električnog naboja:

zbroj naboja nastalih jezgri i čestica jednak je naboju početne jezgre.

2. Zakon o očuvanju masenog broja:

zbroj masenih brojeva nastalih jezgri i čestica jednak je masenom broju početne jezgre.

Alfa raspad.

Zrake su tok jezgri. Propadanje se odvija prema shemi

NS- kemijski simbol matične jezgre, - kćeri.

Alfa raspad obično je popraćen emisijom kćerinske jezgre – zraka.

Dijagram pokazuje da je atomski broj kćerke jezgre 2 jedinice manji od matične jezgre, a maseni broj 4 jedinice, t.j. element koji proizlazi iz raspada bit će smješten u periodnom sustavu 2 ćelije lijevo od izvornog 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 jezgri, već nastaje u trenutku svog radioaktivnog raspada kada 2 protona i 2- x neutrona.

Beta raspad.

Raspad ili elektronski raspad se odvija prema shemi

Rezultirajući element će se nalaziti jednu ćeliju udesno (offset) u tablici od izvornog elementa.

Beta raspad može biti popraćen emisijom - zraka.

Gama zračenje ... Eksperimentalno je utvrđeno da zračenje nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već samo prati - i - raspada, nastaje tijekom nuklearnih reakcija, usporavanja nabijenih čestica, njihovog raspada itd.

Nuklearna reakcija naziva se proces snažne interakcije atomske jezgre s elementarnom česticom ili drugom jezgrom, što dovodi do transformacije jezgre (ili jezgri). Interakcija reagirajućih čestica događa se kada se one međusobno približavaju na udaljenosti reda 10 -15 m, t.j. na 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 svjetlosna čestica " v"i jezgra Y.

X je početna jezgra, Y je konačna jezgra.

Čestica koja uzrokuje reakciju

v- čestica nastala reakcijom.

Kao svjetlosne čestice a i v može se pojaviti neutron, proton, deuteron, - čestica, - foton.

U svakoj nuklearnoj reakciji ispunjavaju se zakoni očuvanja:

1) električni naboji: zbroj naboja jezgri i čestica koje ulaze u reakciju jednak je zbroju naboja konačnih proizvoda (jezgre i čestica) reakcije;

2) maseni brojevi;

3) energija;

4) impuls;

5) kutni moment.

Energetski učinak nuklearne reakcije može se izračunati sastavljanjem energetske bilance 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 zbroj masa nastalih jezgri i čestica premašuje zbroj masa početnih jezgri i čestica, reakcija se nastavlja s apsorpcijom energije (i obrnuto).

Pitanje pod kojim transformacijama jezgre dolazi do apsorpcije ili oslobađanja energije može se riješiti pomoću grafa ovisnosti specifične energije vezanja o masenom broju A (slika 1). Iz grafa se vidi da su jezgre elemenata početka i kraja periodnog sustava manje stabilne, jer e imaju manje.

Posljedično, oslobađanje nuklearne energije događa se i u reakcijama fisije teških jezgri i u reakcijama fuzije lakih jezgri.

Ova je odredba iznimno važna, budući da se na njoj temelje industrijske metode dobivanja nuklearne energije.

Kontakt elektroničkih i poluvodiča s rupama...

Vodljivost vlastitih poluvodiča, zbog elektrona, naziva se ... Elektronsko provođenje ili vodljivost n-tipa... Tijekom prijenosa topline elemenata iz zone 1 u zonu 2 u valentnoj zoni se pojavljuju prazna stanja koja su dobila nazive rupe. U vanjskom električnom polju, elektron sa susjedne razine može se pomaknuti na mjesto oslobođeno od elektrona, pojavit će se rupa i na mjestu s kojeg je elektron otišao i tako dalje. takav proces punjenja rupa elektronima je ekvivalentan pomaku rupe u smjeru suprotnom od gibanja elektrona, kao da rupa ima pozitivan naboj jednak po veličini naboju elektrona. Vodljivost vlastitih poluvodiča, zbog kvazičestica - rupa, ime. Provodljivost rupa ili vodljivost p-tipa... Područje poluvodiča u kojem se događa prostorna promjena vrste vodljivosti (od elektrona n do rupe p). Budući da je u p-regiji E.-d. koncentracija rupa je mnogo veća nego u n-području, rupe iz n-područja imaju tendenciju difuzije u elektronsko područje. Elektroni difundiraju u p-područje. Međutim, nakon bijega rupa u n-području ostaju negativno nabijeni akceptorski atomi, a nakon bijega elektrona u n-području ostaju pozitivno nabijeni donorski atomi. Budući da su atomi akceptora i donora nepokretni, u području E.-l. p. formira se dvostruki sloj prostornog naboja – negativni naboji u p-području i pozitivni naboji u n-području (slika 1). Rezultirajuće kontaktno električno polje po veličini i smjeru je takvo da se suprotstavlja difuziji slobodnih nositelja struje kroz elektromotornu silu. NS.; u uvjetima toplinske ravnoteže u odsutnosti vanjskog električnog napona, ukupna struja kroz emf. n. jednaka je nuli. Dakle, u E.-D. Postoji dinamička ravnoteža u kojoj mala struja koju stvaraju manjinski nosioci (elektroni u p-području i rupe u n-području) teče do elektrona. i prolazi kroz njega pod djelovanjem kontaktnog polja, a jednaka struja, nastala difuzijom većinskih nositelja (elektrona u n-području i rupa u p-području), teče kroz emf. itd. u suprotnom smjeru. U tom slučaju, glavni nositelji moraju prevladati kontaktno polje (Potencijalna barijera). Razlika potencijala koja nastaje između p- i n-područja zbog prisutnosti kontaktnog polja (kontaktna razlika potencijala ili visina potencijalne barijere) obično iznosi desetinke volta. Vanjsko električno polje mijenja visinu potencijalne barijere i narušava ravnotežu protoka nositelja struje kroz nju. Ako ga spustiš. potencijal se primjenjuje na p-područje, tada je vanjsko polje usmjereno protiv kontakta, tj. potencijalna barijera se smanjuje (pristranost naprijed). U ovom slučaju, s povećanjem primijenjenog napona, broj većinskih nositelja koji mogu prevladati potencijalnu barijeru eksponencijalno raste. Koncentracija manjinskih nositelja na obje strane elektromotorne sile. p raste (injekcija manjinskih nositelja), u isto vrijeme jednake količine glavnih nositelja ulaze u p i n područja kroz kontakte, koji neutraliziraju naboje ubrizganih nosača.

Brojne fizičke pojave koje nastaju u području dodira različitih tijela nazivaju se kontaktom. Kontaktne pojave su od praktičnog interesa u slučaju kontakta između metala i poluvodiča.

Objasnite pojavu kontaktna razlika potencijala koristeći koncepte teorije pojaseva. Razmotrimo kontakt dva metala s razna djela Izlaz Izlaz 1 i Izlaz 2... Dijagrami energetskog pojasa oba metala prikazani su na Sl. 2. Ovi metali također imaju različite Fermijeve razine (Fermijeva razina ili Fermijeva energija ( E F) Je li energija ispod koje su sva energetska stanja ispunjena, a iznad koje su prazna pri temperaturi apsolutne nule). Ako Izlaz 1<Izlaz 2(Sl. 2), tada se u metalu 1 Fermijeva razina nalazi viša nego u metalu 2. Stoga će se pri kontaktu metala elektroni s viših razina metala 1 premjestiti na niže razine metala 2, što će dovesti do činjenice da je metal 1 nabijen pozitivno, a metal 2 negativno.

Istodobno dolazi do relativnog pomaka energetskih razina: u pozitivno nabijenom metalu sve se razine pomiču prema dolje, a u negativno nabijenom metalu prema gore. Taj će se proces nastaviti sve dok se između metala u kontaktu ne uspostavi termodinamička ravnoteža, koju, kako je dokazano u statističkoj fizici, karakterizira izjednačavanje Fermijevih razina u oba metala (slika 3.). Od sada se Fermijeve razine za kontaktne metale podudaraju i radne funkcije Izlaz 1 i Izlaz 2 ne mijenjaju, tada će potencijalna energija elektrona u točkama koje leže izvan metala u neposrednoj blizini njihove površine (točke A i B na sl. 3) biti različita. Posljedično se uspostavlja razlika potencijala između točaka A i B, koja je, kako slijedi iz slike, jednaka

Razlika potencijala zbog razlike u radnoj funkciji metala u kontaktu naziva se razlika potencijala vanjskog kontakta - ∆φ vanj ili samo kontaktnu potencijalnu razliku.

Razlika između Fermijevih razina u metalima u kontaktu dovodi do pojave razlika potencijala unutarnjeg kontakta koji je jednak

Unutarnja kontaktna potencijalna razlika ∆φ int ovisi o temperaturi T metalnog kontakta (budući da sam položaj E F ovisi o T), uzrokujući mnoge termoelektrične pojave. Obično ∆φ int<<∆φ vanj.

Kada se tri različita vodiča dovedu u kontakt, razlika potencijala između krajeva otvorenog kruga nakon uspostavljanja termodinamičke ravnoteže bit će jednaka algebarskom zbroju potencijalnih razlika u svim kontaktima.

Prema konceptima elektronske teorije, vodljivost metala je posljedica prisutnosti slobodnih elektrona u njima. Elektroni su u stanju kaotičnog toplinskog gibanja, slično kaotičnom gibanju molekula plina. Slobodni elektroni n, zatvoren u jedinici volumena (koncentracije), nije isti za različite metale. Za metale je koncentracija slobodnih elektrona reda 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 proći kroz kontakt iz metala s višom koncentracijom elektrona nego u suprotnom smjeru (koncentracijska difuzija). U području kontakta nastat će dodatna razlika potencijala ∆φ int... U području kontakta, koncentracija elektrona će lagano varirati od n 1 prije n 2... Za izračun ∆φ int odaberite u kontaktnoj površini mali volumen u obliku cilindra s generatričnima okomitim na metalno sučelje (slika 4), a pretpostavit ćemo da je koncentracija elektrona u prvom metalu n 1 = n, dok drugi ima više, t.j. n 2 = n + dn.

U nastavku ćemo slobodne elektrone smatrati određenim elektronskim plinom koji zadovoljava osnovne koncepte molekularno-kinetičke teorije idealnih plinova. Pritisak str plin na bazi cilindra 1 na temperaturi T jednako:

gdje je Boltzmannova konstanta.

Tlak na dnu cilindra 2 će prema tome biti:

Razlika tlaka duž cilindra je:

Pod utjecajem razlike tlaka nastat će strujanje elektrona kroz granično područje metala iz područja višeg tlaka p 2 u smjeru baze 1 (a na slici 4). Ravnoteža će doći kada snaga dF e-mail generiranog električnog polja s intenzitetom E (slika 4) postaje jednaka sili pritiska dp × dS elektronski plin, t.j.

Ako je broj elektrona u volumenu dV = dx × dS cilindar jednak dN = ndV, tada će se odrediti jakost električnog polja koje djeluje na njih:

Napetost E električno polje je brojčano jednako gradijentu potencijala, t.j.

Podijelite varijable

Integrirajmo:

Budući da se koncentracije slobodnih elektrona u metalima neznatno razlikuju, kvant ∆φ int znatno manja razlika potencijala ∆φ vanj... Veličina ∆φ int doseže nekoliko desetaka milivolti, dok ∆φ vanj može biti reda veličine nekoliko volti.

Ukupna razlika potencijala tijekom kontakta metala, uzimajući u obzir formulu (10), određuje se:

Razmotrimo sada zatvoreni krug od dva različita vodiča (slika 5). Ukupna razlika potencijala u ovom krugu jednaka je zbroju potencijalnih razlika u kontaktima 1 i 2:

Uz naznačene na sl. Obilaznica u 3 smjera ∆φ 12 = -∆φ 21... Tada je jednadžba za cijeli lanac:

Ako T 1 ≠ T 2, onda ∆φ ≠ 0 ... Algebarski zbroj svih potencijalnih skokova u zatvorenom krugu jednak je elektromotornoj sili (EMS) koja djeluje u krugu. Stoga, za T 1 ≠ T 2 EMF se pojavljuje u krugu (slika 5), jednak u skladu s formulama (12) i (13):

Označavamo

Stoga formula (15) poprima oblik

Dakle, EMF u zatvorenom krugu homogenih vodiča ovisi o temperaturnoj razlici između 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 efekt). Ako postoji temperaturni gradijent duž vodiča, tada elektroni na vrućem kraju dobivaju veće energije i brzine. Osim toga, u poluvodičima koncentracija elektrona raste s temperaturom. Kao rezultat toga, dolazi do strujanja elektrona od vrućeg kraja do hladnog kraja, negativni naboj se nakuplja na hladnom kraju, a nekompenzirani pozitivni naboj ostaje na vrućem kraju. Algebarski zbroj takvih potencijalnih razlika u krugu stvara jednu od komponenti termo-EMF-a, koja se naziva volumetrijska.

Razlika kontaktnog potencijala može biti do nekoliko volti. Ovisi o strukturi vodiča (njegova masovna elektronička svojstva) i o stanju njegove površine. Stoga se kontaktna razlika potencijala može promijeniti površinskom obradom (premazi, adsorpcija itd.).

1.2 TERMOELEKTRIČNE POJAVE

Poznato je da rad elektrona iz metala ovisi o temperaturi. Stoga je i razlika kontaktnog potencijala ovisna o temperaturi. Ako temperatura kontakata zatvorenog kruga koji se sastoji od nekoliko metala nije ista, tada je ukupna emf. itd. sa. krug neće biti nula, a u krugu nastaje električna struja. Fenomen pojave termoelektrične struje (Seebeckov efekt) i povezani Peltierovi i Thomsonovi efekti povezani su s termoelektričnim fenomenima.

SEEBEK EFEKAT

Seebeckov efekt sastoji se u stvaranju električne struje u zatvorenom krugu koji se sastoji od serijski spojenih različitih vodiča, među kojima su kontakti različitih temperatura. Taj je učinak otkrio njemački fizičar T. Seebeck 1821. godine.

Zamislimo zatvoreni krug koji se sastoji od dva vodiča 1 i 2 s temperaturama spojeva TA (kontakt A) i TB (kontakt B), prikazanih na slici 2.

Smatramo TA> TV. Elektromotorna sila ε koja nastaje u danom krugu jednaka je zbroju potencijalnih skokova u oba kontakta:

Posljedično, u zatvorenom krugu, e. itd. s. čija je vrijednost izravno proporcionalna temperaturnoj razlici na kontaktima. Ovo je termoelektromotorna sila.

(t. e. d. c.).

Seebeckov učinak može se kvalitativno objasniti na sljedeći način. Vanjske sile koje stvaraju termoelektričnu snagu su kinetičkog porijekla. Budući da su elektroni unutar metala slobodni, mogu se smatrati nekom vrstom plina. Tlak tog plina mora biti isti po cijeloj dužini vodiča. Ako različiti presjeci vodiča imaju različite temperature, tada je potrebna preraspodjela koncentracije elektrona kako bi se izjednačio tlak. To dovodi do pojave struje.

Smjer struje I prikazan je na sl. 2 odgovara slučaju TA> TB, n1> n2. Ako promijenite znak temperaturne razlike između kontakata, tada će se smjer struje promijeniti na suprotan.

PELTIEROV EFEKAT

Peltierov efekt je pojava oslobađanja ili apsorpcije dodatne topline, osim Jouleove topline, u kontaktu dva različita vodiča, ovisno o smjeru u kojem struja teče. Peltierov efekt je inverzan od Seebeckovog efekta. Ako je Jouleova toplina izravno proporcionalna kvadratu struje, tada je Peltierova toplina izravno proporcionalna struji u prvom stupnju i mijenja svoj predznak kada se promijeni smjer struje.

Zamislimo zatvoreni krug koji se sastoji od dva različita metalna vodiča, kroz koje 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 Seebeckovom efektu imao višu temperaturu, sada će se ohladiti, a kontakt B zagrijati. Količina Peltierove topline određena je omjerom:

gdje je I΄ jačina struje, t je vrijeme prijenosa, P je Peltierov koeficijent, koji ovisi o prirodi materijala u kontaktu i temperaturi.

Zbog prisutnosti kontaktnih razlika potencijala u točkama A i B nastaju kontaktna električna polja intenziteta Er. U kontaktu A ovo polje se poklapa sa smjerom

elektroni se gibaju, a u kontaktu B elektroni se kreću protiv polja Er. Budući da su elektroni negativno nabijeni, u kontaktu B se ubrzavaju, što dovodi do povećanja njihove kinetičke energije. Kada se sudare s metalnim ionima, ti elektroni im prenose energiju. Kao rezultat toga, unutarnja energija u točki B raste i kontakt se zagrijava. V

točka A, energija elektrona, naprotiv, opada, budući da ih polje Er usporava. Sukladno tome, kontakt A se hladi, jer elektroni primaju energiju od iona na mjestima kristalne rešetke.

Koncept nuklearne energije

Od velike važnosti u nuklearnoj energetici nije samo provedba lančane reakcije fisije, već i njezino upravljanje. Uređaji u kojima se provodi i održava kontrolirana lančana reakcija fisije nazivaju se nuklearnih reaktora. Lansiranje prvog reaktora na svijetu izvedeno je na Sveučilištu u Chicagu (1942.) pod vodstvom E. Fermija, u SSSR-u (i u Europi) - u Moskvi (1946.) pod vodstvom I. V. Kurchatova.

Da bismo razjasnili rad reaktora, razmotrimo princip rada reaktora toplinskih neutrona (slika 345). Gorivni elementi nalaze se u jezgri reaktora 1 i usporivač 2, in gdje se neutroni usporavaju do toplinskih brzina. Gorivni elementi (gorivne šipke) su blokovi fisivnog materijala zatvoreni u hermetičku ljusku koja slabo apsorbira neutrone. Zbog energije koja se oslobađa tijekom nuklearne fisije, gorivni elementi se zagrijavaju, pa se za hlađenje stavljaju u tok rashladne tekućine (3- kanal za protok rashladne tekućine). Aktivno područje je okruženo reflektorom 4, smanjenje curenja neutrona.

Lančanom reakcijom upravljaju posebne upravljačke šipke 5 izrađena od materijala snažno

apsorbiraju neutrone (na primjer, B, Cd). Parametri reaktora su izračunati na način da kada su šipke potpuno umetnute, reakcija zasigurno ne dolazi; postupnim uklanjanjem štapova faktor umnožavanja neutrona raste i na određenom položaju dostiže jedinicu. U ovom trenutku reaktor počinje s radom. Kako djeluje, količina fisijskog materijala u jezgri se smanjuje i ona postaje kontaminirana fisijskim fragmentima, među kojima mogu biti jaki apsorberi neutrona. Kako bi se spriječilo zaustavljanje reakcije, upravljačke (a često i posebne kompenzacijske) šipke postupno se uklanjaju iz jezgre uz pomoć automatskog uređaja. Takva kontrola reakcije moguća je zbog postojanja odgođenih neutrona (vidi §265), koje emitiraju fisijske jezgre s kašnjenjem do 1 min. Kada nuklearno gorivo izgori, reakcija prestaje. Prije ponovnog pokretanja reaktora, izgorjelo nuklearno gorivo se uklanja i puni novim. U reaktoru se nalaze i šipke za hitne slučajeve čijim se uvođenjem, naglim povećanjem intenziteta reakcije, odmah prekida.

Nuklearni reaktor je snažan izvor prodornog zračenja (neutrona, g-zračenja), oko 10 11 puta većeg od sanitarni standardi... Stoga svaki reaktor ima biološka obrana- sustav zaslona izrađenih od zaštitnih materijala (na primjer, beton, olovo, voda), smještenih iza njegovog reflektora, i upravljačke ploče daljinski upravljač

Nuklearni reaktori se razlikuju:

1) po prirodi glavnih materijala u jezgri(nuklearno gorivo, moderator, rashladna tekućina); 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, berilij, organske tekućine itd., kao nosači topline - zrak, voda, pare. Ne, CO 2, itd.;

2) po prirodi položaja nuklearnog

gorivo i moderator u jezgri:homogena(obje tvari su ravnomjerno pomiješane jedna s drugom) i heterogena(obje tvari se nalaze odvojeno u obliku blokova);

3) energijom neutrona(reaktori na toplinske i brze neutrone; u potonjem se koriste fisijski neutroni i uopće nema moderatora);

4) prema vrsti načina(kontinuirano i impulsno);

5) po dogovoru(energetika, istraživanja, reaktori za proizvodnju novih fisijskih materijala, radioaktivnih izotopa itd.).

U skladu s razmatranim značajkama nastali su nazivi kao što su uran-grafit, voda-voda, grafit-plin itd.

Među nuklearnim reaktorima posebno mjesto zauzima energija reaktori za razmnožavanje. V ih Uz proizvodnju električne energije dolazi i proces reprodukcije nuklearnog goriva uslijed reakcije (265.2) ili (266.2). To znači da reaktor na prirodnom ili nisko obogaćenom uranu ne koristi samo izotop 235 92 U , ali i izotop 238 92 U. Trenutno su brzi reaktori temelj nuklearne energije s uzgojem goriva.

Prvi put u SSSR-u je nuklearna energija korištena 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 reaktoru s vodom pod tlakom prikazan je na Sl. 346. Uranski blokovi 1 uronjeni u vodu 2, koji služi i kao moderator i kao rashladna tekućina. tuga-

voda za čaj (pod pritiskom je i zagrijava se do 300°C) iz gornjeg dijela jezgre reaktora ulazi kroz cjevovod 3 u generator pare 4, gdje isparava i hladi, te se vraća kroz vod 5 a u reaktor. Zasićena para 6 kroz cjevovod 7 ulazi u parnu turbinu 8, vraćajući se nakon rudarenja kroz cjevovod 9 u generator pare. Turbina okreće električni generator 10, struja iz koje ulazi u električnu mrežu.

Stvaranje nuklearnih reaktora dovelo je do industrijske primjene nuklearna energija. Energetske rezerve nuklearno gorivo u rudama je oko dva reda veličine veće od rezervi kemijskih goriva. Dakle, ako će se, kako se pretpostavlja, najveći dio električne energije proizvoditi u nuklearnim elektranama, to će, s jedne strane, smanjiti cijenu električne energije koja je sada usporediva s onom koja se proizvodi u termoelektranama, a na s druge strane, riješit će energetski problem za nekoliko stoljeća i omogućiti korištenje onih koji se trenutno spaljuju, nafte i plina kao vrijedne sirovine za kemijsku industriju.

U SSSR-u, osim stvaranja snažnih nuklearnih elektrana (na primjer, Novovoroiezhskaya ukupne snage oko 1500 MW, prva faza Lenjingrada nazvana po VI Lenjinu s dva reaktora od 1000 MW svaki), velika se pozornost posvećuje stvaranje malih nuklearnih elektrana (750-1500 kW), pogodnih za specifične uvjete rada, kao i rješavanje problema male nuklearne energije. Tako su izgrađene prve svjetske mobilne nuklearne elektrane, stvoren je prvi svjetski reaktor ("Romashka") u kojem se uz pomoć poluvodiča toplinska energija izravno pretvara u električnu (jezgra sadrži 49 kg 235 92 U , toplinska snaga reaktora je 40 kW, električna - 0,8 kW) itd.

Stvaranjem brzih reaktora otvaraju se velike mogućnosti za razvoj nuklearne energije (uzgajivači), u kojem je generiranje energije popraćeno proizvodnjom sekundarnog goriva – plutonija, što će radikalno riješiti problem opskrbe nuklearnim gorivom. Procjene pokazuju da 1 tona granita sadrži približno 3 g 238 92 U i 12 g 232 90 Th (koriste se kao sirovine u reaktorima za razmnožavanje), t.j. uz potrošnju energije od 5 10 8 MW (dva reda veličine više nego sada), rezerve urana i torija u granitu bit će dovoljne za 10 9

godine po perspektivnoj cijeni od 1 kWh energije 0,2 kopecks.

Tehnologija brzih reaktora je u procesu traženja najboljih inženjerskih rješenja. Prva eksperimentalna industrijska stanica ovog tipa snage 350 MW izgrađena je u Ševčenku na obali Kaspijskog mora. Koristi se za proizvodnju električne energije i desalinizaciju morske vode, opskrbljujući vodom grad i okolno područje proizvodnje nafte, s oko 150.000 stanovnika. NEK Ševčenko pokrenula je novu "nuklearnu industriju" - desalinizaciju slane vode, koja zbog nedostatka slatkovodnih resursa u mnogim regijama može biti od velike važnosti.

Nukleone u jezgri čvrsto drže nuklearne sile. Da bi se nukleon uklonio iz jezgre, mora se obaviti veliki posao, odnosno prenijeti značajnu energiju jezgri.

Energija vezanja atomske jezgre Eb karakterizira intenzitet interakcije nukleona u jezgri i jednaka je maksimalnoj energiji koja se mora utrošiti da bi se jezgra podijelila na zasebne nukleone koji nisu u interakciji, a da im se ne prenese kinetička energija. Svaka jezgra ima svoju energiju vezanja. Što je ta energija veća, to je atomska jezgra stabilnija. Točna mjerenja masa jezgre pokazuju da je masa mirovanja jezgre m i uvijek manja od zbroja masa mirovanja njezinih sastavnih protona i neutrona. Ova razlika mase naziva se defekt mase:

To je dio mase Dm koji se gubi kada se energija vezanja oslobodi. Primjenom zakona međusobnog povezivanja mase i energije dobivamo:

gdje je m n masa atoma vodika.

Takva je zamjena prikladna za izračune, a izračunata pogreška koja nastaje u ovom slučaju je beznačajna. Ako se u formuli za energiju vezanja zamijeni Dm u amu. onda za E sv možete napisati:

Ovisnost specifične energije vezanja o masenom broju A sadrži važne podatke o svojstvima jezgri.

Specifična energija vezanja E otkucaja - energija vezanja jezgre po 1 nukleonu:

Na sl. 116 prikazuje izglađeni graf eksperimentalno utvrđene ovisnosti E otkucaja o A.

Krivulja na slici ima slabo izražen maksimum. Najveću specifičnu energiju vezanja imaju elementi s masenim brojem od 50 do 60 (željezo i njemu bliski elementi). Jezgre ovih elemenata su najstabilnije.

Iz grafa je vidljivo da je reakcija fisije teških jezgri u jezgre elemenata u srednjem dijelu tablice D. Mendeljejeva, kao i sinteza lakih jezgri (vodik, helij) u teže – energetski povoljnije reakcije, jer popraćeni su stvaranjem stabilnijih jezgri (s velikim E otkucajima) i, stoga, nastavljaju s oslobađanjem energije (E> 0).

Nuklearne sile. Modeli kernela.

NUKLEARNA SILE - Sile interakcije između nukleona; daju veliku vrijednost energije vezanja jezgri u usporedbi s drugim sustavima. Ja sam sa. su naib. važan i čest primjer jaka interakcija(SV). Nekada su ti pojmovi bili sinonimi i uveden je pojam "jaka interakcija" kako bi se naglasila ogromna veličina Ya. S. u usporedbi s drugim silama poznatim u prirodi: e-magnetskim, slabim, gravitacijskim. Nakon otvaranja str -, r - i tako dalje. mezoni, hiperoni itd. hadroni pojam "jaka interakcija" počeo se koristiti u širem smislu – kao interakcija hadrona. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća. kvantna kromodinamika(QCD) etablirao se kao općepriznati mikroskop. teorija SV. Prema ovoj teoriji, hadroni su složene čestice sastavljene od kvarkovi i gluoni, a pod SV počeo shvaćati interakciju tih sredstava. čestice.

Model jezgre kapljice- jedan od najranijih modela strukture atomske jezgre, koji je predložio Niels Bohr 1936. godine u okviru teorije složene jezgre koju su razvili Jacob Frenkel i kasnije John Wheeler, na temelju koje je Karl Weizsacker prvi koji je dobio poluempirijsku formulu za energiju vezanja atomske jezgre, nazvanu njemu u čast po Weizsackerovoj formuli.

Prema ovoj teoriji, atomska jezgra može se predstaviti kao sferna, jednoliko nabijena kap posebne nuklearne tvari, koja ima neka svojstva, kao što su nestišljivost, zasićenost nuklearnih sila, "isparavanje" nukleona (neutrona i protona), poput tekućina. S tim u vezi, na takvu jezgru-kapljicu mogu se proširiti i neka druga svojstva kapljice tekućine, na primjer, površinska napetost, fragmentacija kapljice na manje (fisija jezgri), fuzija malih kapljica u jednu veliku (fuzija jezgri). Uzimajući u obzir ova svojstva zajednička za tekuću i nuklearnu tvar, kao i specifična svojstva potonje, koja proizlaze iz Paulijevog principa i prisutnosti električnog naboja, moguće je dobiti poluempirijsku Weizsackerovu formulu, koja omogućuje izračunati energiju vezanja jezgre, a time i njezinu masu, ako je poznat njezin nukleonski sastav (ukupan broj nukleona (maseni broj) i broj protona u jezgri).