Физика атома и атомного ядра

Атом и атомное ядро

Планетарная модель атома ( модель Резерфорда )

В центре атомного ядра находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Размеры ядра много меньше радиуса атома. В ядре сосредоточена почти вся масса атома.

Планетарная модель объясняет по рассеянию альфа - частиц вещества. Недостаток модели: электроны, двигаясь по орбите, должны излучать электромагнитные волны и поэтому терять энергию , что приведет падению электронов на ядро.

Квантовые постулаты Бора:

Атомная система может находиться только в особых стационарных ( квантовых ) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия $ E_{n} $ . В стационарных состояниях атом не излучает.
При переходе атома из одного состояния в другое испускается или поглощается фотон энергией
$$ h\vartheta =E_{m}-E_{n} $$
h - постоянная Планка.

Правило квантования Бора служит для определения возможных стационарных состояний атома: $$ mVr=\frac{nh}{2\pi } $$ m -масса электрона, V -его скорость, r -радиус орбиты, n -целое число.

Состояние с наименьшей энергией (n = 1) наз. основным, остальные состояния наз. возбужденными.

Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в основном стационарном состоянии, которое соответствует минимальному запасу энергии. Время жизни атомов в возбужденных состояниях очень мало и обычно не превышает

Состав ядра атома.

Ядро состоит из протонов (заряд +e , масса $ m_{p}=1.7\cdot 10^{-27} кг $ ) и нейтронов (заряд равен нулю, масса $ m_{n}=m_{p} $ ). Заряд ядра равен $ Z_{e} ,Z $ - число протонов. массовое число : $ A=Z+N, N $ - число нейтронов.

Нуклоны (протоны и нейтроны ) удерживаются в ядре короткодействующими силами большой величины -ядерными силами.

Изотопами наз. ядра, имеющие одинаковый заряд,но разную массу. Изотоп химического элемента X обозначается . Экспериментальный факт: масса любого ядра $ m_{n} $ , содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс Z свободных протонов и N нейтронов: $$ \Delta m=Zm_{p}+Nm_{n}-m_{n}> 0 $$

Энергия связи ядра $ \Delta E_{св} $. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию $ \Delta E_{св} $ , равную разности между полной энергией свободных протонов и нейтронов и полной энергией ядра $$ \Delta E_{св}=Zm_{p}c^{2}+Nm_{n}c^{2}-m_{Я}c^{2}=\Delta mc^{2} $$

Радиоактивность

Радиоактивность – самопроизвольное испускание ядрами некоторых элементов различных частиц ( -частиц, электронов и др.), сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров.

Активность – число распадов в единицу времени.

Виды радиоактивного распада:

$ \alpha $-распад – излучение $ \alpha $-частиц высокой энергии (ядер гелия). Масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд ( номер элемента в табл. Менделеева ) - на 2 единицы:
$$ ^{A}_{Z}{X}\rightarrow^{A-4}_{Z-2}{Y}+^{4}_{2}{He} $$
X - исходный элемент, Y - продукт его радиоактивного распада
$ \beta $-распад:
1. Бета (минус)-распад (электронный $ \beta $-распад) – самопроизвольное превращение «нейтрона в протон» с испусканием электрона и антинейтрино : $ n\rightarrow p+\bar{e}+\bar{v} $
  Массовое число не меняется, а заряд возрастает на единицу:
  $$ ^{A}_{Z}{X}\rightarrow^{A}_{Z+1}{Y}+^{0}_{-1}{e}+{\tilde{\nu}_{e}} $$
2. Бета (плюс)-распад (позитронный $ \beta $-распад) – с испусканием позитрона и нейтрино:
  $$ ^{A}_{Z}{X}\rightarrow^{A}_{Z-1}{Y}+^{0}_{+1}{e}+{\nu_{e}} $$
$ \gamma $ -излучение -испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра не меняются, ядро переходит в состояние с меньшей энергией.
$$ ^{A}_{Z}{X}\rightarrow^{A}_{Z}{Y}+^{0}_{0}{\gamma} $$

Радиоактивное излучение обычно представляет собой смесь всех 3 видов излучений. Альфа и бета-излучения обладают слабой проникающей способностью при взаимодействии с веществом, гамма-лучи и потоки нейтронов - наиболее проникающие виды излучений.

Закон радиоактивного распада:

$$ N=N_{0}\cdot 2^{\frac{-t}{T}} $$

$ N=N_{0} $ -начальное количество радиоактивных ядер, Т- период полураспада (время, через которое распадется половина ядер), зависящий от типа изотопа.

Цепная реакция

Ядерные реакции - изменения ядер, происходящие в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом.

Цепная реакция деления ядер урана протекает по схеме: захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка и два- три нейтрона; вылетевшие нейтроны приводят к делению других ядер урана и т.д. В процессе реакции выделяется много энергии.

Естественный уран содержит 0,7% изотопа $ _{92}^{235}\textrm{U} $ , который делится при захвате как быстрых, так и медленных нейтронов. Остальную часть составляет изотоп $ _{92}^{238}\textrm{U} $ , который делится при захвате только быстрых нейтронов.

Два пути создания цепной реакции:

очищать уран, увеличивая содержание $ _{92}^{235}\textrm{U} $ ,
замедлять вылетающие нейтроны.

Первый путь используется в атомной бомбе, а второй - в ядерных реакторах (замедлители: вода, графит и др.)

Чтобы пошла цепная реакция , масса урана должна превышать критическую массу (критическая масса $ _{92}^{235}\textrm{U} $ около 50 кг).

Термоядерный синтез - реакция слияния двух легких ядер.

Для его реализации вещество необходимо нагреть до сотен миллионов градусов, что позволяет преодолеть силы кулоновского отталкивания. Термоядерный синтез служит источником энергии звезд.

Термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы, где для достижения необходимых температур используют взрыв атомной бомбы.