Электромагнитные моменты нуклонов и ядер

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения.Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёткинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 10⁷ K из-за очень большой высотыкулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются, как продукты экзоэнергетической реакции.

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах
1 — Управляющий стержень;
2 — Радиационная защита;
3 — Теплоизоляция;
4 — Замедлитель;
5 — Ядерное топливо;
6 — Теплоноситель.

[править]Конструкция

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:

· Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;

· Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;

· Теплоноситель;

· Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;

· Радиационная защита;

· Система дистанционного управления.

[править]Физические принципы работы

См. также основные статьи:

· Коэффициент размножения нейтронов

· Реактивность ядерного реактора

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью ρ, которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

· k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;

· k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;

· k = 1, ρ = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Условие критичности ядерного реактора:

, где

· есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объёма.

· k₀ — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды.

Очевидно, что k < k₀, поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k₀ < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k₀ определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k₀ для тепловых реакторов можно определить по так называемой «формуле 4-х сомножителей»:

, где

· μ — коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

· φ — вероятность избежать резонансного захвата;

· θ — коэффициент использования тепловых нейтронов;

· η — выход нейтронов на два поглощения.

Объёмы современных энергетических реакторов могут достигать сотен м³ и определяются главным образом не условиями критичности, а возможностями теплосъёма.

Критический объём ядерного реактора — объём активной зоны реактора в критическом состоянии. Критическая масса — масса делящегося вещества реактора, находящегося в критическом состоянии.

Наименьшей критической массой обладают реакторы, в которых топливом служат водные растворы солей чистых делящихся изотопов с водяным отражателем нейтронов. Для ²³⁵U эта масса равна 0,8 кг, для ²³⁹Pu - 0,5 кг^{[источник не указан 880 дней]}. Широко известно, однако, что критическая масса для реактора LOPO (первый в мире реактор на обогащённом уране), имевшего отражатель из окиси бериллия, составляла 0,565 кг^{[источник не указан 880 дней]}, несмотря на то, что степень обогащения по изотопу 235 была лишь немногим более 14 %. Теоретически, наименьшей критической массой обладает ²⁵¹Cf, для которого эта величина составляет всего 10 г.

С целью уменьшения утечки нейтронов, активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например короткого цилиндра или куба, так как эти фигуры обладают наименьшим отношением площади поверхности к объёму.

Несмотря на то, что величина (e - 1) обычно невелика, роль размножения на быстрых нейтронах достаточно велика, поскольку для больших ядерных реакторов (К_∞ — 1) << 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Для начала цепной реакции обычно достаточно нейтронов, рождаемых при спонтанном делении ядер урана. Возможно также использование внешнего источника нейтронов для запуска реактора, например, смеси Ra и Be, ²⁵²Cf или других веществ.

2) Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Возможностьосуществления цепной реакции деления и ее параметры определяются ядерно-физ. Влияние свойств среды можно изучать независимо, введя представление о бесконечной ( бесконечно протяженной) среде. При этом подразумевается, что нейтроны данного поколения исчезают как при поглощении с последующим делением ядра, так и в результате радиац. Вторичные нейтроны деления относятся к след, поколению. Время жизни нейтронов одного поколения весьма мало ( 10 э - 10 5 с в тепловых Я. [2]

Большое значение в ядерной энергетике приобретает не толькоосуществление цепной реакции деления, но и управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления, называются ядерными реакторами. В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы / и замедлитель 2, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Тепловыделяющие элементы ( твэлы) представляют собой блоки из делящегося материала, заключенные в герметическую оболочку, слабо поглощающую нейтроны. Активная зона окружается отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов. [3]

Объясните, почему добываемый в природных условиях уран непригоден дляосуществления цепной реакции деления, а полученный при разделении его изотопов уран-235 можно использовать в качестве расщепляющегося горючего в цепной ядерной реакции. [5]

Получение ядерной энергии для практического использования возможно лишь при условииосуществления цепной реакции деления. Принцип цепной реакции прост и основан на том, что при каждом акте ядерного деления, вызванного нейтроном, возникает один или больше новых нейтронов; при этом не меньше чем один такой нейтрон должен вызывать новое деление. Для развития цепной реакции необходимо, чтобы отношение числа новых нейтронов, полученных при делении в элементе объема вещества, к числу нейтронов, первоначально присутствовавших в этом элементе объема, было не меньше единицы. Это отношение называется коэффициентом размножения k & и является важнейшей характеристикой цепной реакции. [6]

Этот процесс приводит к размножению нейтронов, что в свою очередь делает возможнымосуществление цепной реакции деления. Отметим здесь же, что / - излучение при / 3-распаде отклоняется электрическим и магнитным полями; при этом его ионизирующая способность значительно меньше ( на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у а-частиц. [7]

ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО - вещество, к-рое может быть использовано в ядерном реакторе дляосуществления цепной реакции деления ядер. В качестве сырьевых материалов могут использоваться 238U и z n для образования 238Ри и 233U - новых горючих, отсутствующих в природе. Иногда термин ядерное горючее применяют в качестве синонима Я. [8]

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможнымосуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. [9]

3) Ядерный топливный цикл включает в себя производство ядерного топлива, подготовку его к использованию в ядерных реакторах и утилизацию отработанного ядерного топлива, т.е. описывает тот путь, по которому топливо попадает в ядерный реактор, и по которому оно его покидает. В ядерной энергетике существует два принципиально разных топливных цикла: разомкнутый (открытый) и замкнутый. Открытый ядерный цикл, которого придерживаются в США, Канаде, Швеции, подразумевает окончательное захоронение отработанного ядерного топлива в специальных подземных хранилищах без какой-либо перспективы его дальнейшего использования. В замкнутом топливном цикле отработанное ядерное топливо сначала выдерживается в хранилищах для снижения его радиоактивности, а затем может быть переработано для получения из него нового свежего ядерного топлива. Замкнутый топливный цикл является более эффективной системой с максимальным использованием добываемого природного урана.

Если не создавать ядерноэнергетические установки на быстрых нейтронах и не переходить на замкнутый топливный цикл, а оставаться с реакторами на тепловых нейтронах, то нужно признать, что ядерная энергетика как глобальный долгосрочный энергоисточник не состоялась. Энергия, которая может быть получена в ядерноэнергетических установках на тепловых нейтронах при использовании известных запасов ядерного топлива, одного порядка величины с энергией, которую можно получить при сжигании разведанных запасов нефти и природного газа. Однако сложность и потенциальная опасность ядерной энергетики выше по сравнению с электростанциями, сжигающими нефтепродукты и природный газ. Это ставит под сомнение необходимость широкого использования атомной энергетики.

4) Как следует из теории составного ядра, минимальное значение энергии составного ядра равно энергии связи нейтрона в этом ядре , которая существенно зависит от чётности числа нейтронов в ядре: энергия связи чётного нейтрона гораздо больше энергии связи нечётного при приблизительно равных массовых числах ядра. Сравним значения барьера деления для тяжёлых ядер и энергии связи нейтрона в тяжёлых ядрах (наиболее важных с практической точки зрения):

Ядро	, МэВ	Ядро	, МэВ
²³²Th	5,9	²³³Th	4,79
²³³U	5,5	²³⁴U	6,84
²³⁵U	5,75	²³⁶U	6,55
²³⁸U	5,85	²³⁹U	4,80
²³⁹Pu	5,5	²⁴⁰Pu	6,53

Следует отметить, что в таблице для энергии связи приведены ядра, образующиеся путём присоединения нейтрона к ядрам из таблицы для порога деления, однако величина барьера деления слабо зависит от массового числа и состава ядра, поэтому такое качественное сравнение допустимо.

Сравнение величин из этих таблиц показывает что для разных ядер:

· , это означает, что деление возможно нейтронами с любой сколь угодно малой кинетической энергией. К этой группе относятся ядра с нечётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — чётный): ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu, которые принято называть делящимися;

· , это означает, что деление возможно лишь нейтронами с кинетической энергией, превышающей некое пороговое значение. К этой группе относятся ядра с чётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — нечётный): ²³²Th, ²³⁸U, которые называют пороговыми. Значение пороговых энергий примерно равны 1,2 МэВ для ²³²Th и 1 МэВ для ²³⁸U.

Для других, не указанных в таблице, ядер ситуация аналогичная — ядра с нечётным числом нейтронов делящиеся, с чётным — пороговые. Пороговые ядра не могут служить основой цепной ядерной реакции деления.

Из пяти рассмотренных выше ядер только три имеются в природе: ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U. Природный уран содержит примерно 99,3 % ²³⁸U и лишь 0,7 % ²³⁵U. Другие делящиеся ядра, ²³³U и ²³⁹Pu, могут быть получены искусственным путём. Практические способы их получения основаны на использовании пороговых ядер ²³²Th и ²³⁸U по следующим схемам:

В обоих случаях процесс радиационного захвата приводит к образованию радиоактивных ядер. После двух последовательныхβ⁻-распадов образуются делящиеся нуклиды. Промежуточные ядра имеют достаточно малые периоды полураспада, что позволяет использовать эти способы на практике. Образовавшиеся делящиеся ядра также радиоактивны, но их периоды полураспада настолько велики, что ядра можно рассматривать как стабильные при использовании в ядерных реакторах.

В связи с возможностью получения делящихся ядер из пороговых, встречающихся в природе, ²³²Th и ²³⁸U, последние принято называть воспроизводящими. Современные знания о нуклидах позволяют предполагать, что будущее ядерной энергетикисвязано именно с превращением воспроизводящих материалов в делящиеся^[34][35].

5) При ядерном делении урана и плутония образуется сложная смесь свыше 200 ради-

онуклидов средней части Периодической таблицы Д. И. Менделеева. Основную часть

составляют радионуклиды с массовыми числами 95¥103 и 130¥144 (от цинка до гадоли-

ния). Радионуклиды характеризуются разными сроками жизни и токсичностью. Выход

каждого радионуклида в реакциях деления урана и плутония зависит от делящегося

¤E-mail address: vasilenko@depni.sinp.msu.ru

1материала, энергии нейтронов, вызывающих деление, и меняется от радиоизотопа к ра-

диоизотопу от десятков тысячных до единиц процента. Активность ПЯД огромна. Так

через минуту после взрыва она достигает A¯ » 4 ¢ 1018 Бк на тонну мощности взрыва,

активность °-излучения примерно в 2,5 раз ниже.

Основную часть активности молодых ПЯД составляют короткоживущие радио-

нуклиды со сроками жизни от нескольких секунд до нескольких суток. Активность

молодых ПЯД в процессе распада радионуклидов быстро снижается. В результате рас-

пада радиоизотопы превращаются в стабильные элементы. В среднем каждый осколок

деления претерпевает три последовательных распада прежде чем перейдёт в стабильное

нерадиационное состояние. Уменьшение активности во времени происходит по закону

Вэя-Вигнера A » t

¡n

. Значение показателя n для практических расчётов принимается

равным 1,2.

Физический распад радионуклидов приводит к изменению радиоизотопного состава

продуктов, средней энергии излучаемых ПЯД ¯-частиц и °-квантов, процессов метабо-

лизма при поступлении продуктов в организм человека, характера облучения и токсич-

ности, клинических особенностей поражения и формирования отдалённой патологии.

В таблице 1 приведено содержание наиболее биологически значимых радионуклидов.

Радиоактивное загрязнение внешней среды при ядерных взрывах в основном обу-

словлено ПЯД. Другим источником загрязнения являются радионуклиды наведён-

ной активности, образующиеся в результате захвата нейтронов различными элемен-

тами, входящими в состав конструкции боеприпаса, грунта, воды и других элементов,

окружающих место взрыва. Особенно большое значение наведённая активность имеет

при взрыве термоядерных зарядов. Наибольшее внимание из радиоизотопов наведённой

активности привлекают 24Na,

42K,

14C,

3H. Источником загрязнения является также

неразделившаяся часть заряда урана и плутония.

Наземные, подземные (со вскрытием котловой полости) взрывы характеризуются

интенсивным загрязнением в ближней зоне выпадения радионуклидов, особенно при

взрыве комбинированных зарядов при реакциях: деление ! синтез ! деление (деление

233;235U,

239Pu! синтез лёгких ядер ! деление ядер 238Uбыстрыми нейтронами).

Носителями активности являются аэрозоли, образующиеся при конденсации ра-

диоактивных и нерадиоактивных продуктов. Размеры частиц варьируют в широких

пределах от тысячных долей микрона до нескольких миллиметров. Более крупные ча-

стицы образуются при наземных и подземных взрывах (со вскрытием котловой поло-

сти). Физико-химические характеристики аэрозолей зависят от вида взрыва (наземный,

воздушный, подземный, подводный). Важным параметром, определяющим миграцию

аэрозолей во внешней среде и их биологическую доступность для растений и животных,

включая человека, является их растворимость, т.е. переход радионуклидов из частицы

в раствор.

После образования облака движение аэрозолей определяется перемещением их вме-

сте с воздушными потоками и осаждением на Землю под действием гравитации. Оса-

ждение микронных частиц связано в основном с турбулентностью атмосферы и захва-

том их атмосферными осадками.

Классификация

[править]По назначению

По характеру использования ядерные реакторы делятся на^[5][6][7]:

· Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой вэнергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:

· Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения — морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различныхнадводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.

· Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает несколькихкВт.

· Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.

· Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для наработки изотопов, применяющихся в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерных оружейных материалов, например ²³⁹Pu. Также к промышленным относят реакторы, использующиеся для опреснения морской воды.

Часто реакторы применяются для решения двух и более различных задач, в таком случае они называются многоцелевыми. Например, некоторые энергетические реакторы, особенно на заре атомной энергетики, предназначались, в основном, для экспериментов. Реакторы на быстрых нейтронах могут быть одновременно и энергетическими, и нарабатывать изотопы. Промышленные реакторы кроме своей основной задачи часто вырабатывают электрическую и тепловую энергию.

[править

]По спектру нейтронов

· Реактор на тепловых (медленных) нейтронах («тепловой реактор»)

· Реактор на быстрых нейтронах («быстрый реактор»)

· Реактор на промежуточных нейтронах

· Реактор со смешанным спектром

[править

]По размещению топлива

· Гетерогенные реакторы, где топливо размещается в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель;

· Гомогенные реакторы, где топливо и замедлитель представляют однородную смесь (гомогенную систему).

В гетерогенном реакторе топливо и замедлитель могут быть пространственно разнесены, в частности, в полостном реакторе замедлитель-отражатель окружает полость с топливом, не содержащим замедлителя. С ядерно-физической точки зрения критерием гомогенности/гетерогенности является не конструктивное исполнение, а размещение блоков топлива на расстоянии, превышающем длину замедления нейтронов в данном замедлителе. Так, реакторы с так называемой «тесной решёткой» рассчитываются как гомогенные, хотя в них топливо обычно отделено от замедлителя.

Блоки ядерного топлива в гетерогенном реакторе называются тепловыделяющими сборками (ТВС), которые размещаются в активной зоне в узлах правильной решётки, образуя ячейки.

[править

]По виду топлива

· изотопы урана 235, 238, 233 (²³⁵U, ²³⁸U, ²³³U)

· изотоп плутония 239 (²³⁹Pu), также изотопы ^239-242Pu в виде смеси с ²³⁸U (MOX-топливо)

· изотоп тория 232 (²³²Th) (посредством преобразования в ²³³U)

По степени обогащения:

· природный уран

· слабо обогащённый уран

· высоко обогащённый уран

По химическому составу:

· металлический U

· UO₂ (диоксид урана)

· UC (карбид урана) и т. д.

[править

]По виду теплоносителя

· H₂O (вода, см. Водо-водяной реактор)

· Газ, (см. Графито-газовый реактор)

· D₂O (тяжёлая вода, см. Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU)

· Реактор с органическим теплоносителем

· Реактор с жидкометаллическим теплоносителем

· Реактор на расплавах солей

· Реактор с твердым теплоносителем

[править

]По роду замедлителя

· С (графит, см. Графито-газовый реактор, Графито-водный реактор)

· H₂O (вода, см. Легководный реактор, Водо-водяной реактор, ВВЭР)

· D₂O (тяжёлая вода, см. Тяжеловодный ядерный реактор, CANDU)

· Be, BeO

· Гидриды металлов

· Без замедлителя (см. Реактор на быстрых нейтронах)

[править

]По конструкции

· Корпусные реакторы

· Канальные реакторы

[править]

По способу генерации пара

· Реактор с внешним парогенератором (См. Водо-водяной реактор, ВВЭР)

· Кипящий реактор

Размеры ядер

Распределение заряда и массы в атомных ядрах исследуется в экспериментах по упругому рассеянию на ядрах альфа-частиц (исторически это первые эксперименты Резерфорда), электронов и протонов. Выяснилось, что как плотность распределения заряда, так и плотность распределения массы ядра приближенно выражаются распределением Ферми:

(1.5)

Величину R называют радиусом ядра. Отметим, что поскольку распределение плотности заряда и массы близки, но не совпадают друг с другом, отличаются также и зарядовый и массовый радиусы.

Энергии связи и массы ядер

Масса стабильных ядер меньше суммы масс входящих в ядро нуклонов, - разность этих величин и определяет энергию связи ядра E_св (binding energy ):

E_св(A,Z) = Zm_p + (A - Z)m_n - M_N(A,Z).

Спин ядра и моменты нуклонов

Основное и возбужденные состояния ядра и других квантовых систем характеризуется набором квантовых чисел, являющихся собственными значениями операторов физических величин. Квантовый оператор Fназывается собственным оператором, если его действие на волновую функцию системы приводит к той же волновой функции, умноженной на число - собственное значение оператора

Изоспин ядер и нуклонов

Как основное, так и возбужденные состояния ядер - помимо рассмотренных выше энергии, спина и четности – характеризуются квантовыми числами, которые называются изоспином и проекцией изоспина. (В литературе эти квантовые числа обозначаются обычно либо символами T и T_z, либо I и I_z).
Введение этих квантовых чисел связано с тем фактом, что ядерные силы инвариантны относительно замены протонов на нейтроны. Это особенно ярко проявляется в спектрах т.н. ”зеркальных” ядер, т.е. ядер–изобар, у которых число протонов одного равно числу нейтронов другого. Для всех известных пар таких ядер имеет место подобие спектров низших возбужденных состояний: спины и четности низших состояний одинаковы, а энергии возбуждения близки.
С точки зрения теории изоспина, нейтрон и протон являются одной и той же частицей – нуклоном с изоспином I = 1/2 – в двух разных состояниях, различающихся проекцией изоспина на выделенную ось (I_z= I₃) в пространстве изоспина. Таких проекций для момента I = 1/2 может быть только две: I_z = +1/2 (протон) и I_z = –1/2 (нейтрон). Квантовая теория изоспина построена по аналогии с теорией спина. Однако пространство изоспина не совпадает с обычным координатным пространством.

Электромагнитные моменты нуклонов и ядер

Электромагнитные моменты определяют потенциал взаимодействия ядра или частиц с внешними электрическими и магнитными полями

Электрический дипольный момент ядер в основном состоянии равен нулю (с точностью до малых членов, связанных со слабыми взаимодействиями в ядрах). Равенство нулю момента D_iявляется следствием четности квадрата волновой функции основного состояния ядра

Квадрупольный электрический момент ядра в системе координат, связанной с ядром ( внутренний квадрупольный момент)

Магнитный дипольный момент

Магнитный дипольный момент частицы является оператором в пространстве волновых функций частиц и связан с операторами орбитального и спинового моментов соотношением

8) Энергия связи ядра– минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны). Ядро – система связанных нуклонов, состоящая из Z протонов (масса протона в свободном состоянии m_p) и N нейтронов (масса нейтрона в свободном состоянии m_n). Для того, чтобы разделить ядро на составные нуклоны, нужно затратить определенную минимальную энергию W, называемую энергией связи. При этом покоящееся ядро с массой М переходит в совокупность свободных покоящихся протонов и нейтронов с суммарной массой Zm_p + Nm_n. Энергия покоящегося ядра Мс². Энергия освобождённых покоящихся нуклонов (Zm_{p +}Nm_n)с². В соответствии с законом сохранения энергии Мс² + W = (Zm_p + Nm_n)с². Или W = (Zm_p + Nm_n)с² - Мс². Поскольку W > 0, то М < (Zm_p + Nm_n), т.е. масса, начального ядра, в котором нуклоны связаны, меньше суммы масс свободных нуклонов, входящих в его состав.
W растёт с увеличением числа А нуклонов в ядре (А = Z + N). Удобно иметь дело с удельной энергией связи ε = W/A, т.е. средней энергией связи, приходящейся на один нуклон. Для большинства ядер ε ≈ 8 МэВ (1 МэВ = 1.6·10^-13 Дж). Для разрыва химической связи нужна энергия в 10⁶ раз меньше.

Устойчивость ядер

Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z в атомных ядрах (N=A-Z).

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими — процесс деления. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики, а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра — отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер^[10] , поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при , а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону (см. поясняющий рисунок).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям и . Все ядра с чётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов , , , . Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее — нечётно-нечётные. Это явления свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами, что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от ^[1].

Z	N=A-Z	A	Число нуклидов
Чётное	Чётное	Чётное	167
Чётное	Нечётное	Нечётное	55
Нечётное	Чётное	Нечётное	53
Нечётное	Нечётное	Чётное	4

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов^[2].

10) В процессе элементарной химической реакции, протекающей с энергией активации, реагирующие частицы переходят изосновного энергетического состояния в возбужденное. Такой переход сопровождается изменением конфигурации реагирующих частиц. Например, в ходе бимолекулярной реакции H - D2 - - HD D - сближаются Н и D атомы ( расстояние Н - D уменьшается), а расстояние D-D увеличивается. [1]

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию И мвн - Wct, то оно находится восновном энергетическом состоянии. Если ядро имеет энергию W W, то оно находится в возбужденном энергетическом состоянии. Случай W-Q соответствует расщеплению ядра на составляющие его нуклоны. В отличие от энергетических уровней атома, раздвинутых на единицы электрон-вольт, энергетические уровни ядра отстоят друг от друга на мегаэлектрон-вольты. Этим объясняются происхождение и свойства гамма-излучения.

11) А́льфа-распа́д — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы. При этом массовое число уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад наблюдается только у тяжёлых ядер (Атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200). Альфа-частица испытываеттуннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы 9400(Nd-144)-23700(Po-212m) км/с. В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

Пример альфа-распада для изотопа ²³⁸U:

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

12) Бе́та-распа́д — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу(электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус-распадом» ( ), а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» ( ). Кроме и -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронноенейтрино ( -распад, электронный захват) или антинейтрино ( -распад). В -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:

На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона.

В -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

13) ) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10^–15 м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;

3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силыимеютнеэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа Н) только при условии параллельной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

14) 1. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я. И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, — являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Для капли жидкости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре. Наконец, объем капли, так же как и объем ядра (см. (251.1)), пропорционален числу частиц. Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядрокаккаплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики. Капельная модель ядра позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядер. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

2. Оболочечная модель ядра (1949—1950; американский физик М. Гепперт-Майер (1906—1975) и немецкий физик X. Иенсен (1907—1973)). Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют.

Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких и средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 377; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!