Наглядная физика. Квантовая физика
ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ
1. Фотоэлектрический эффект
2. Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта
3. Давление света. Измерение светового давления
4. Опыт Резерфорда
5. Ядерная модель атома (модель Резерфорда)
6. Ядерная модель атома (модель Бора)
7. Ядерная модель атома (квантовая модель)
8. Модель атома водорода
9. Излучение и поглощение света атомами
10. Лазер
11. Наблюдение треков в камере Вильсона
12. Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц
13. Протонно-нейтронная модель строения атома
14. Ядерные реакции
15. Радиоактивное излучение (в магнитном поле)
16. Радиоактивное излучение (поглощение)
17. Цепные ядерные реакции
18. Процесс деления ядер на основе капельной модели ядра
19. Ядерный реактор
20. Взаимодействие элементарных частиц.
Радиоактивное излучение (поглощение)
Поглощение излучения Частицы в альфа-, бета- и гамма-излучении обладают очень большой энергией и при столкновении вызывает ионизацию атомов. Эти излучения называются ионизирующими излучениями.
Подробнее
Огромная энергия ионизирующих излучений и их значительная проникающая способность делают радиоактивность опасной для живых организмов. Излучение в веществе может поглощаться или проходить насквозь, не поглощаясь, но частицы излучения, взаимодействуя с атомами среды, теряют свою энергию.
Закон радиоактивного распада
Периодом полураспада изотопа называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества этого изотопа в данном образце.
Если в некоторый начальный момент времени имеется большое число N0 ядер изотопа, то через промежуток времени t = n ∙ T1/2 останется нераспавшихся ядер
Если в некоторый начальный момент времени имеется большое число N0 ядер изотопа, то через промежуток времени t = n ∙ T1/2 останется нераспавшихся ядер
N(t) = N0 ∙ 2-n=N0 ∙ 2-t/T.
где T = T1/2 . График этой зависимости изображен на рисунке.
Массивные ядра нестабильны. Это объясняется меньшей удельной энергией связи массивных ядер по сравнению с удельной энергией связи ядер средних масс (близких к массе ядра железа). Делением ядра называют процесс распада массивного ядра (например, урана) на два ядра и другие частицы.Подробнее
При делении массивного ядра удельная энергия связи нуклонов в осколках больше энергия связи нуклонов в исходном ядре примерно на 1 Мэв. Значит, распад одного ядра даст около 200 Мэв.
Однако, ядра распадаются редко и для получения большей мощности, нужно заставить ядра распадаться чаще. Нейтроны оказались наиболее эффективными снарядами для осуществления ядерной реакции. Например, электроны с трудом пробивают электронную оболочку атома, а попав в ядро, вносят в него слишком мало энергии. Электроны слишком легкие. Протоны или α-частицы, несущие положительный электрический заряд, отталкиваются от положительно заряженного ядра-мишени. Поэтому проникнуть в ядро они могут лишь имея очень большую кинетическую энергию, порядка миллионов или даже миллиардов электрон-вольт (т. е. несколько МэВ или ГэВ). Нейтроны же не имеют электрического заряда и поэтому не отталкиваются ни электронной оболочкой, как электроны, ни ядрами, как α-частицы и протоны. Попав в ядро, нейтрон, если он имеет нужную кинетическую энергию, может вызвать распад ядра. Следовательно, для получения ядерной энергии нужно где-то брать нейтроны с нужной кинетической энергией.
При столкновении нейтрона с ядром последнее может захватить эту частицу. Возбужденное ядро может оказаться неустойчивым и потому радиоактивным. Например, реакция распада на два ядра элементов бария и криптона и еще три нейтрона записывается так: Нейтроны могут попасть в соседние атомы урана-235, те тоже распадутся, выделят энергию и нейтроны, а те опять разобьют несколько соседних ядер. Этот процесс называется цепной реакцией деления ядер урана.
Итак, при делении ядер урана образуются два ядра-осколка и от 1 до 3 нейтронов. Эти нейтроны захватываются другими ядрами урана, вызывая их быстрый распад с выделением новых нейтронов. Эти новые нейтроны в свою очередь захватываются ядрами урана и вызывают их распад. То, что среди продуктов распада оказались нейтроны, те же самые частицы, которые вызвали этот распад, оказалось очень важным.
Таким образом, распад ядер урана оказывается самоподдерживающимся процессом: количество делящихся ядер и выделяющихся при этом нейтронов быстро увеличивается. При этом пропорционально числу распадов увеличивается и количество выделяемой при распаде ядер энергии.
Такая самоподдерживающаяся реакция деления ядер урана называется цепной реакцией.
Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k, отношением числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении. Для развития цепной самоподдерживающейся реакции необходимоk ≥ 1.
Процесс деления ядер на основе капельной модели ядра
На нуклон внутри ядра действуют ядерные силы со стороны ближайших соседей (свойство насыщения). А нуклон, находящийся на границе (на краю) втягивает внутрь неуравновешенная сила. Это различие между внутренними и граничными частицами похоже на состояния молекул в жидкости, где появляется сила поверхностного натяжения.
Подробнее
Атомы на свободной поверхности обладают избыточной энергией и поэтому жидкость всегда стремится уменьшить площадь свободной поверхности. Энергия сил поверхностного натяжения пропорциональна площади свободной поверхности. В свободном состоянии жидкость принимает форму шара (например, в невесомости, или маленькие капли в нормальных условиях).
Если же рассматривать ядро как каплю жидкости, то процесс распада тяжелого ядра на два осколка при столкновении, например, с нейтроном аналогичен делению капли на две под действием возмущения: энергия распространяющейся по поверхности капли волны приводит к распаду капли на две. Все знают, что струя воды, текущая из крана, набирая скорость (в поле силы тяжести) становится все тоньше и тоньше, а затем разбивается на капли: тонкая струя энергетически не выгодна и поэтому струя распадается на мелкие капли. Также и возмущение ядра может привести к образованию поверхностных волн, разрывающих это ядро на два меньших.
В ядре тоже можно ввести энергетические уровни для нуклонов и переходы нуклонов с одного уровня на другой, но из-за сильного (ядерного) взаимодействия нуклонов это не позволяет проводить вычисления. Оценить энергию ядра с заданным числом нуклонов (Z протонов и A – Z нейтронов) не удается, но качественно можно представить себе, как устроено ядро. Потенциальная яма, у нуклонов уровни – как у электронов в атоме. Но здесь добавление нуклона (или его переход на другой уровень) меняет потенциальную яму и, следовательно, сдвигает все уровни. Как и электроны в атоме, все нейтроны не могут собраться на низшем уровне – они фермионы. На уровне может находиться только 4 нуклона – два протона и два нейтрона. Например, так упаковано ядро гелия (альфа-частица 
). Оно очень стабильно, но в остальных ядрах нуклоны явно не собираются по четыре.
). Оно очень стабильно, но в остальных ядрах нуклоны явно не собираются по четыре.Если же рассматривать ядро как каплю жидкости, то процесс распада тяжелого ядра на два осколка при столкновении, например, с нейтроном аналогичен делению капли на две под действием возмущения: энергия распространяющейся по поверхности капли волны приводит к распаду капли на две. Все знают, что струя воды, текущая из крана, набирая скорость (в поле силы тяжести) становится все тоньше и тоньше, а затем разбивается на капли: тонкая струя энергетически не выгодна и поэтому струя распадается на мелкие капли. Также и возмущение ядра может привести к образованию поверхностных волн, разрывающих это ядро на два меньших.
Чтобы реализовать цепную реакцию для быстрого выделения большого количества ядерной энергии, необходимо взять большое количество чистого изотопа урана. Но, если собирать вместе все большее и большее количество атомов урана-235, то при некоторой массе (критическая масса) начнется распад быстро увеличивающегося числа ядер урана с выделением пропорционального количества энергии в виде потока нейтронов, тепла и гамма-излучения.Подробнее
Примерно так все происходит при взрыве атомной бомбы.
Для использования энергии цепной ядерной реакции нужно иметь возможность управлять скоростью распада. Это делают в ядерном реакторе, в котором скорость нейтронов немного уменьшают (образующиеся быстрые нейтроны хуже поглощаются ядрами урана 235U ), и есть способ регулировать число свободных нейтронов.
Реактор — установка, в которой происходит управляемая цепная ядерная цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов. Ядерная энергия выделяется в виде тепловой энергии, которая передается теплоносителю и затем преобразуется в электрическую энергию.
В ядерном реакторе можно выделить следующие части:
Активная зона – основная часть ядерного реактора. В ней находится ядерное топливо. В некоторых конструкциях реакторов ядерное топливо помещают в длинных трубках, которые называют тепловыделяющими элементами (сокращенно – ТВЭЛ).
Замедлитель быстрых нейтронов. Условно выделяют два вида нейтронов: быстрые, с энергией больше 0.1 Мэв, и медленные, с энергией меньше 0.1 Мэв. Для деления урана-235 нужны медленные нейтроны, а при распаде ядер урана-235 выделяются быстрые нейтроны. Поэтому в ядерном реакторе используют замедлитель — вещество, в котором нейтроны замедляются (теряют часть кинетической энергии). Обыкновенная вода очень хорошо замедляет нейтроны, но и сильно их поглощает. Графит или тяжёлая вода хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощают.
Система охлаждения. Трубки с тепловыделяющими элементами омываются циркулирующим теплоносителем. Им может служить (в зависимости от конструкции реактора) вода или жидкий металл (например, натрий).
Система регулирования. Управляющие стержни изготавливают из веществ, хорошо поглощающих нейтроны. Стержни с помощью специальной системы автоматики удерживаются в таком положении, чтобы число нейтронов сохранялось постоянным. При необходимости стержни можно погрузить в активную зону, число нейтронов уменьшится и цепная реакция прекратится.
Система безопасности. Для снижения вылета нейтронов активную зону окружают отражателем нейтронов. За отражателем располагаются прочный стальной кожух и бетонная биологическая защита, которая предохраняет окружающее пространство от опасного ионизующего излучения реактора.
Взаимодействие элементарных частиц
Электроны и другие микрочастицы не подчиняются законам обычной (классической) физики, и для них была разработана квантовая теория. Кроме протона, нейтрона, электрона и фотона существует много других микрочастиц, но все они нестабильны. Эти микрочастицы называют элементарными частицами. Они имеют много свойств, например, электрический заряд, спин, время жизни.Подробнее
Легкие частицы (с массами до примерно 200 электронных масс), составляют группу легких частиц — лептонов, частицы с массами примерно от 200 me до массы протона входят в группу мезонов (средних частиц), протон и более тяжелые частицы составляют группу барионов. Фотон не входит в эти группы и имеет нулевую массу покоя. Разделение элементарных частиц на группы определяется не различием в массах, а также рядом других важных свойств. Существует еще большое число частиц с очень малым временем жизни, их называют резонансами. С открытием резонансов неопределенность понятия «элементарная частица» стала очевидной.
Каждая элементарная частица имеет античастицу. Масса античастицы равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд (для заряженных частиц) равен по абсолютному значению заряда частицы и противоположен ему по знаку. Частица и античастица у таких незаряженных частиц, как фотон и пи-нуль-мезон, по физическим свойствам совершенно неразличимы и считаются одной и той же частицей. Существуют антипротоны и антинейтроны. Фотон совпадает со своей античастицей. Античастицу электрона называют позитроном. Фотон с энергией больше 2mec2 может превратиться в электрон и позитрон (процесс «рождения» пары), а при встрече электрона и позитрона происходит их аннигиляция, превращение в фотоны. Эти рождения и аннигиляция электронно-позитронных пар показывают, что частицы и поля, описывающие взаимодействие частиц, не являются резко разграниченными.
В 1963 г. были введены гипотетические частицы, названные кварками. Например, кварки u, d, s, причем каждый из них имеет один из трех цветов (r, g, b). Согласно этой гипотезе все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединенных между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион — из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.
Все элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, превращаются друг в друга. Существует четыре типа взаимодействия между элементарными частицами:
- гравитационное,
- электромагнитное,
- сильное и
- слабое.
На макроуровне гравитационные силы, действующие между любыми частицами, и электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами, хорошо изучены. В микромире гравитация практически не проявляется, но считается, что она обусловлена обменом гравитонами, гипотетическими квантами гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие в микромире описывается обменом фотонами, квантами электромагнитного поля.
Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Как электроны связывают атомы в молекулу так и обмен пи-мезонами соединяет нуклоны в ядро. Существует три типа пи-мезонов: π+, π-, π0. Протон, испуская π+-мезон превращается в нейтрон, а нейтрон, поглотив этот π+-мезон, – в протон. Аналогично, кварки обмениваются глюонами. Существует 8 различных видов глюонов и, испуская глюон, кварк изменяет свой тип (цвет).
Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино. Например, бета-распад. Слабое взаимодействие обеспечивается обменом частицами W+, W - и Z0.