Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
делением ядра (из-за его сходства с делением клетки в биологии). В
результате деления возникало огромное количество энергии, и, что не менее
важно, при делении каждого ядра высвобождалось несколько нейтронов. Это
делало возможным осуществление цепной реакции. Действительно, испущенные
при одном делении к нейтронов могут вызвать деление к ядер, в результате
будет испущено к2 новых нейтронов, которые вызовут деление к2 ядер, и
т.д. Естественно, процесс размножения нейтронов на самом деле несколько
иной: часть нейтронов поглощается ядрами неделящихся примесей, некоторые
успевают покинуть зону реакции прежде, чем захватываются ядром и др. Для
осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент
размножения нейтронов - отношение числа нейтронов в каком-либо поколении
к числу нейтронов в предыдущем - был больше единицы. Поэтому существует
понятие критической массы, при которой это условие выполняется и возможна
цепная реакция.
635
Как отмечалось выше, масса любого стабильного ядра меньше суммы масс
составляющих его нуклонов. Например, масса изотопа гелия \Wt меньше суммы
масс двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, если из двух протонов
и двух нейтронов как-то образовать ядро гелия, то это сопровождалось бы
выделением большого количества энергии. Образование ядер в процессе
слияния отдельных протонов и нейтронов или легких ядер называется ядерным
синтезом. Согласно современным представлениям, все химические элементы в
природе первоначально образовались в ходе ядерного синтеза. Сейчас
ядерный синтез происходит в недрах звезд, в том числе и нашего Солнца.
Именно этот процесс служит источником испускаемого ими мощного светового
излучения.
Ядерный синтез может происходить только при очень высоких температурах,
поэтому его обычно называют термоядерной реакцией. Для осуществления
термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать температуру
порядка 107- 108 К. При такой высокой температуре вещество представляет
собой полностью ионизованную плазму. Поэтому для управления термоядерной
реакцией, наряду с проблемой получения чрезвычайно высокой температуры,
возникает проблема (которая пока еще не решена) удержания плазмы в
заданном объеме. Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст
человечеству практически неисчерпаемый экологически чистый источник
энергии.
Рекомендации по решению задач
Ядра атомов состоят из частиц двух типов - протонов и нейтронов, которые
называют нуклонами. Для обозначения ядер применяется символьная запись
^Х, где
- X - химический символ данного элемента;
- А - массовое число, равное числу нуклонов в ядре; произведение А на
массу одного нуклона (протона или нейтрона) приближенно равно массе ядра;
- Z - зарядовое число, равное числу протонов в ядре, определяет
порядковый номер данного химического элемента в периодической таблице
Д.И. Менделеева; произведение Z \е\ равно заряду ядра;
- (A- Z) - число нейтронов в ядре.
У стабильных ядер масса ядра тя всегда меньше суммы масс входящих в него
нуклонов на величину, равную дефекту массы
Am = [Zmp + (A-Z) тп] - тя.
Из формулы взаимосвязи массы и энергии (см. §16) следует, что сумма
энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из
них ядра на величину
?св = Л(tm)
которую называют энергией связи: она равна той минимальной работе,
которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны, образующие ядро, и
удалить их друг от друга на расстояния, при которых оии не
взаимодействуют. Очевидно, что более устойчивыми являются ядра с большей
энергией связи. При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро за
счет работы сил ядериого притяжения выделяется энергия, равная по модулю
энергии связи ядра.
При вычислении энергии связи по формулам (19.1) и (19.4) необходимо массы
протонов, нейтронов, ядер, атома водорода и атома данного химического
элемента подставлять в [кг]. Поскольку в таблице Д.И. Менделеева массы
атомов приведены в [а.е.м.], то часто удобнее использовать выражения
636
ECB = 93\,s{[Zmp + (A~Z) m"] - тя}, ?св = 931,5 ([ZmiH + (A - Z) m"] -
mar}, где массы выражены в [а.е.м.], а ?св - в [МэВ].
При любых ядерных реакциях выполняются законы сохранения электрического
заряда, суммарного числа нуклонов, энергии, импульса и другие законы.
Первые два закона позволяют правильно записать ядерную реакцию даже в тех
случаях, когда одна из частиц -участников реакции или ее продуктов - не
известна: в любой ядерной реакции сумма зарядовых чисел (массовых чисел)
всех участников реакции равна сумме зарядовых чисел (массовых чисел)
продуктов реакции.
Законы сохранения энергии и импульса позволяют найти энергетический выход
ядерной реакции, кинетические энергии частиц - продуктов реакции и
направления их движения.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями, при которых
может выделяться или поглощаться энергия. Энергия реакции определяется
разностью энергий участников и продуктов реакции:
