"Досягнення у галузі ядерної фізики"



Скачати 93,27 Kb.
Дата конвертації05.02.2017
Розмір93,27 Kb.
ТипРеферат
РЕФЕРАТ
на тему:
“Досягнення у галузі ядерної фізики”

Підготувала учениця 11 класу

Кіричук Тетяна
У сучасній фізиці є рік, що називають «роком чудес». Це 1932-й рік.

Одним з таких «чудес» цього року було відкриття нейтрона і створення

нейтронно-протонної моделі атомного ядра. У результаті відбулося

виділення з атомної фізики самостійного, що бурхливо розвивається

напрямку – ядерної фізики.
Ядерна фізика вивчає структуру і властивості атомних ядер. Вона

досліджує також взаємоперетворення атомних ядер, що відбуваються в

результаті як радіоактивних розпадів, так і різних ядерних реакцій. До

ядерної фізики тісно примикає фізика елементарних часток, фізика і

техніка прискорювачів заряджений часток, ядерна енергетика.
Все в світі складається з молекул, які представляють собою складні

комплекси взаємодіючих атомів. Молекули це найменші частки речовини,

які зберігають його властивості. В склад молекул входять атоми різних

хімічних елементів. Атом - будівельний матеріал природи. Якщо покласти

сто мільйонів атомів рядом, то довжина такого рядка становитиме 1 дюйм

(2,54 см). Атоми складаються переважно з порожнього простору. Центр

атома - це протони і нейтрони, які разом утворюють ядро, а в ядрі

зосереджена більша частина ваги атома. Якби речовина складалася тільки

із самих щільно спресованих атомних ядер, то монета завбільшки з пенні

важила б сорок мільйонів тонн. Однак ядро займає всього одну стотисячну

частину об’єму атома. Решта об’єму - простір і крихітні електрони, які

кружляють довкола ядра так само, як планети кружляють довкола сонця.


Матерія складається з атомів, але не всі атоми однакові. Головна різниця

полягає в кількості протонів і нейтронів, які утворюють ядро. Наприклад,

атом водню завжди має один протон, кисню -вісім, а урану - дев’яносто

два протони. В кожному атомі кількість електронів, що кружляють довкола

ядра, і кількість протонів однакова. Однак кількість нейтронів у атомах

одного і того самого елемента може бути різна. Наприклад, тоді як уран

має дев’яносто два протони, один тип атома урану має 143 нейтрони, а ще

один - 146. Ці ізотопи (так називаються різні типи одного і того самого

елемента) відомі як уран 235 і уран 238 (92 протони плюс 143 нейтрони

дорівнює 235, а 92 протони плюс 146 нейтронів дорівнює 238).


Кожен атом утримується від розпаду силою, яку фізики називають „великою

силою” - найдужчою в природі, силою, яка донедавна унеможливлювала

розщеплення атома. „Мені здається, - писав Ісаак Ньютон 1704 року, - що

спершу бог створив речовину у вигляді твердих мас - непроникних рухомих

частинок, таких твердих, що їх неможливо розбити на шматки, звичайна

сила нездатна зруйнувати, розірвати те, що створив сам бог”.


Ньютон, ясна річ, не мав справи з фізикою на атомному рівні, але все ж

його погляд домінував над усіма іншими протягом сторіч. Фізики ХІХ

сторіччя, виходячи з його логіки, розвинули теорію, згідно з якою маса і

енергія являють собою окремі закриті системи, причому ні маса, ні

енергія не можуть бути створені чи зруйновані. У 1905 році Альберт

Ейнштейн опублікував свої погляди на це питання. Досліджуючи властивості маси, часу та простору, він висунув думку про те, що інертна маса

містіть велику кількість потенційної енергії, яку можна звільнити,

зруйнувавши структуру, тобто розщепивши основні структурні одиниці. Далі

він висунув думку про те, що протягом цього процесу певна кількість

речовини перетворюється на енергію і що утворена кількість енергії

дорівнює кількості втраченої маси, помноженої на квадрат швидкості

світла: Е=mc2. Енергію можна створити: речовину можна зруйнувати.


Однак на початку то була всього-на-всього теорія. Ніхто, в тому числі і

сам Ейнштейн, не міг тоді втілити її в життя. Тільки у 1938 році фізики

встановили, що коли атом урану-238 бомбардувати нейтронами, то їхні ядра

внаслідок удару розщеплюються, вивільнюючи при цьому енергію. Навіть

більше, під час розщеплення ядер їхні нейтрони вистрілюються з великою

швидкістю в напрямку найближчих атомів спричиняючи розщеплення сусідніх

атомів. Отож фізики зробили такий висновок: якщо взяти достатню

кількість атомів урану і спричинити їх розщеплення, то почнеться

ланцюгова реакція - швидке розщеплення одного за одним атомів, яке

триває доти, доки вичерпається запас урану. Протягом цього процесу

вивільнюється величезна кількість енергії і теплота горіння ядерного

палива в мільйони разів більше, ніж звичайного палива.


Досліджуючи атомне ядро, ядерна фізика використовує різні теоретичні

моделі, що можуть показатися суперечними один одному. Німецький фізик М.

Борн запропонував у 1936 р. гідродинамічну модель атомного ядра,

відповідно до якої ядро уподібнюється краплі зарядженої щільної рідини,

що складає з інтенсивно взаємодіючих між собою нуклонів (нейтронів і

протонів).


Як і в краплі звичайної рідини, поверхня краплі-ядра може коливатися, що

при деяких умовах приводить до розвалу ядра. Американський фізик М.

Гепперт-Майер і одночасно німецький фізик И. Йенсен розробили в 1950 р.

оболонкову модель атомного ядра, у якій нуклони ядра рухаються незалежно

друг від друга в деякім усередненому полі ядерної сили. Подібно

електронам в атомі, нуклони заповнюють різні оболонки, кожна з який

характеризується визначеним значенням енергії. Прагнучи примирити

взаємно виключають вихідні положення гідродинамічної й оболонкової

моделей, датські фізики О. Бор і Б. Моттельсон, а також американський

фізик Дж. Рейнуотер розробили на початку 1950-х рр. так називану

узагальнену модель атомного ядра. Відповідно до цієї моделі, ядро

складається із серцевини – стійкої внутрішньої частини (нуклони цілком

заповнених оболонок) і «зовнішніх» нуклонів, що рухаються в поле,

створюваному нуклонами серцевини. Під впливом зовнішніх нуклонів

серцевина ядра може деформуватися, приймаючи форму витягнутого чи,

навпроти, сплюсненого еліпсоїда; може випробувати коливання.


Дуже важливою обшивною складовою частиною ядерної фізики є нейтронна

фізика. Вона займається ядерними реакціями, що відбуваються під дією

нуклонів. Оскільки нейтрон електрично-нейтральний, електронне поле ядра-мішені не відштовхує його; тому навіть повільні нейтрони можуть

безперешкодно наблизиться до ядра на відстані, при яких починають

виявлятися ядерні сили. Нейтронна фізика досліджує також взаємодію дуже

повільних нейтронів з речовиною (енергія таких нейтронів порядку 0,01 еВ

і менше). Одержувані в цих дослідженнях дані по розсіюванню нейтронів

речовиною використовуються для виявлення атомної структури і характеру

руху атомів у різних кристалах, рідинах і окремих молекулах.
Сучасна ядерна фізика досить чітко розпадається на двох органічно

взаємозалежні «галузей» – теоретичну й експериментальну ядерну фізику.

Теоретична ядерна фізика «працює» з моделями атомного ядра і ядерних

реакцій; вона спирається на фундаментальні фізичні теорії, створені в

процесі дослідження фізики мікросвіту. Експериментальна ядерна фізика

використовує найбагатший арсенал сучасних дослідницьких засобів,

включаючи в себе ядерні реактори (як джерела могутніх пучків нейтронів),

прискорювачі заряджених часток (як джерела пучків прискорених

електронів, протонів, іонів, а також мезонів і гіперонів), різноманітні

детектори часток, що виникають у ядерних реакціях. Ядерно-фізичні

дослідження мають величезне чисто наукове значення, дозволяючи людині

глибше проникати в таємниці будівлі матерії. У той же час ці дослідження

надзвичайно важливі й у практичному відношенні (у ядерній енергетиці,

медицині і т.д.)


Ядро - центральна частина атома. В ядрі атома зосереджені позитивний і

негативний електричні заряди та основна частина маси атома.


В порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом електронних

орбіт, розміри ядра надзвичайно малі 10–15–10–14 м, тобто приблизно в 10

мільйонів разів менші від розміру самого атома.
Ядра всіх атомів складаються з протонів і нейтронів, котрі мають

однакову масу, але лише протони несуть електричний заряд. Повне число

протонів називається атомним номером Z атома і співпадає з числом

електронів в нейтральному атомі. Протони і нейтрони, їх ще називають

нуклонами, утримуються разом дуже великими силами. По своїй природі ці

сили не можуть бути ні електричними, ні гравітаційними, а по величині

вони на багато порядків перевищують сили, які пов'язують електрони з

ядром.
Ядро найпростішого атома – атома водню – являє собою лише протон.


У фізиці, ядерний синтез це процес під час якого два атомних ядра

об'єднуються формуючи більше ядро та виділяючи енергію. Ядерний синтез є

джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.
Потрібна дуже значна кількість енергії для того щоб об'єднати два ядра,

навіть для найлегшого елементу, водню. Але внаслідок об'єднання двох

легших ядер, що утворюють важче ядро та вільний нейтрон виділяється

більше енергії ніж затрачається на саму реакцію, тобто така реакція є

екзотермічним процесом, що може продукувати самопідтримну реакцію.
Енергія що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша ніж в

хімічних реакціях, тому що зв'язуюча енергія що утримує частинки в ядрі

разом набагато більша ніж енергія що утримує електрони в атомі.

Наприклад, енергія іонізації що отримується додаванням електрону в атом

водню складає 13.6 електрон-вольт — менше ніж одна мільйонна від 17 MeV

що виділяються під час D-T реакції описаної нижче.


Дейтерій-тритієва реакція синтезу вважається найбільш перспективною як

джерело ядерної енергії


Передумови реакції синтезу. В атомному ядрі діють дві різні сили: сильна

(strong nuclear force), що утримує протони та нейтрони разом та трохи

слабша електростатична між однаково зарядженими протонами ядра, що

намагається розірвати ядро. Сильна сила діє на дуже коротких відстанях:

між протонами та нейтронами що безпосередньо межують один з одним, що

також означає що протони та нейтрони на поверхні ядра слабше утримуються

аніж протони та нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного

відштовхування натомість діє на більших відстанях та є пропорційною

оберненому квадрату відстані між зарядами, що означає, що кожени протон

в ядрі взаємодіє з кожним іншим протоном в ядрі. Це призводить до того,

що сили що утримують ядро зростають до певного розміру ядра (атом

заліза), а потім починають слабшати, починаючи з урану зв'язуюча сила

стає від'ємною і ядра важчих елементів стають нестабільними.
Таким чином, для здійснення реакції ядерного синтезу слід затратити

певну енергію для подолання сили електростатичного відштовхування між

двома атомними ядрами та звести їх на відстань де починає діяти сильна

ядерна сила. Енергія що потрібна для подолання сили електростатичного

відштовхування називається бар'єром Кулома (Coulomb barrier).
Бар'єр Кулома найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони містять лишень

один протон в ядрі. Для D-T суміші, результуючий енергетичний бар'єр

складає 0.1 MeV. Для порівняння, щоб прибрати електрон із атому водню

вимагається всього 13 eV, що в 7,500 разів менше. Коли реакція синтезу

завершується, нове ядро переходить на нижчий енергетичний рівень та

виділяє додаткову енергію випромінюючи нейтрон із енергією 17.59 MeV, що

є суттєво більше ніж було потрібно для запуску реакції, що означає що

реакція D-T синтезу є дуже екзотермічною, та є джерелом енергії.


Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція

синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою

середньої кінетичної енергії часток, нагріваючи плазму можна надати

ядрам достаню енергію для подолання бар'єру в 0.1 MeV. Перевівши eV в

Кельвіни отримаємо температуру понад 1 GK, що очевидно є надзвичайно

високою температурою.


Є однак два явища що дозволяють знизити потрібну температуру реакції.

По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, що означає,

що навіть при нижчих температурах ніж еквівалент 0.1 MeV частина ядер

матиме енергію суттєво вищу ніж 0.1 MeV, решта матимуть енергію суттєво

нижчу. По-друге, слід врахувати явище так званого квантового

тунелювання, коли ядра що мають майже достатньо енергії для подолання

бар'єру Кулома тунелюють його. Це дозволяє отримати (повільніші) реакції

синтезу при нижчих температурах.

Важливим для розуміння реакції синтезу є поняття поперечного перетину

реакції ?: міри ймовірності реакції синтезу як функції відносної

швидкості двох взаємодіючих ядер. Для термоядерної реакції синтезу

зручніше розглядати середнє значення розподілу добутку поперечного

перетину на швидкість ядра. Використовуючи його, можна записати

швидкість реакції (злиття ядер на об'єм на час).


Використана література:
Фізика ядра і атома. – К., 1998.
Основи ядерної фізики. – М., 2000.
Каталог: ld
ld -> Принципи реалізації наукової діяльності університету: активна участь у формуванні та
ld -> Програма навчальної дисципліни історія світової культури
ld -> Тема Основні етапи розвитку документознавства
ld -> Програма навчальної дисципліни міфологія Галузь знань 0201 культура Напряму підготовки 020101 культурологія
ld -> Дивовижний світ многогранників
ld -> Програма розвитку дітей дошкільного віку зі спектром аутистичних порушень
ld -> Діти з порушеннями психофізичного розвитку як суб'єкт корекційної освіти план
ld -> Інформаційний пакет 04 основи корекційної педагогіки
ld -> Есе на тему: “Українське мистецтво другої половини ХVII-XVIII ст.”
ld -> Дипломної освіти «Допущено до рецензування»


Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2019
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка