Пользуясь законами сохранения
Контрольная работа №5 по теме «Строение атома и атомного ядра»
Главная > Документ
Контрольная работа № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Явление радиоактивности, открытое Беккерелем, свидетельствует о том, что…
А. Все вещества состоят из неделимых частиц-атомов.
Б. В состав атома входят электроны.
В. Атом имеет сложную структуру.
Г. Это явление характерно только для урана.
Кто предложил ядерную модель строения атома?
А. Беккерель. Б. Гейзенберг. В. Томсон. Г. Резерфорд.
На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Чёрные точки- электроны. Какая схема соответствует атому 2 4 Не?
В состав атома входят следующие частицы:
А. Только протоны.
Б. нуклоны и электроны.
В. протоны и нейтроны.
Г. Нейтроны и электроны.
Чему равно массовое число ядра атома марганца 25 55 Мn?
А. 25. Б. 80. В. 30. Г. 55.
В каких из следующих реакций нарушен закон сохранения заряда?
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Между какими парами частиц внутри ядра действуют ядерные силы?
А. Протон- протон
Б. Протон- нейтрон.
В. Нейтрон- нейтрон.
Г. Во всех парах А- В.
Массы протона и нейтрона…
А. Относятся как 1836:1.
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1:1836.
Г. Приблизительно равны нулю.
В ядре атома кальция 20 40 Са содержится…
А. 20 нейтронов и 40 протонов.
Б. 40 нейтронов и 20 электронов.
В. 20 протонов и 40 электронов.
Г. 20 протонов и 20 нейтронов.
В каком приборе след движения быстрой заряженной частицы в газе делается видимым ( в результате конденсации пересыщенного пара на ионах)?
А. В счетчике Гейгера.
Б. В камере Вильсона.
В. В сцинцилляционном счетчике.
Г. В пузырьковой камере.
А. Альфа- частица. Б. нейтрон. В. протон. Г. электрон
Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона mn, свободного протона mp. Какое из приведенных ниже условий выполняется для массы ядра mg ?
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных ядер условие В.
А. ∆m ≈ 0,04. Б. ∆m ≈ –0,04. В. ∆m =0. Г. ∆m ≈ 0,2.
14 В каких единицах должно быть выражено значение массы при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆Е= ∆m*c 2 ?
А. В килограммах.
В. В атомных единицах массы.
Что называется критической массой в урановом ядерном реакторе?
А. Масса урана в реакторе, при которой он может работать без взрыва.
Б. Минимальная масса урана, при которой в реакторе может быть осуществлена цепная реакция.
В. Дополнительная масса урана, вносимая в реактор для его запуска.
Г. Дополнительная масса вещества, вносимого в реактор для его остановки в критических случаях.
Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внешнем облучении человека?
А. Бета- излучение.
Б. гамма- излучение.
В. Альфа- излучение.
Г. Все три вида излучения: альфа, бета, гамма.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 17 35 Cl и 17 37 Cl.
А. изотоп 17 35 Cl имеет в ядре на 2 протона больше, чем 17 37 Cl.
Б. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 протона меньше, чем 17 35 Cl.
В. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона больше, чем 17 35 Cl.
Г. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 17 35 Cl.
18. При альфа- распаде атомных ядер…
А. Масса ядра остается практически неизменной, поэтому массовое число сохраняется, а заряд увеличивается на единицу.
Б. Массовое число уменьшается на 4, а заряд остается неизменным.
В. Массовое число уменьшается на 4, а заряд увеличивается на 2.
Г. Массовое число уменьшается на 4, заряд также уменьшается на 2.
А. Поглощается, т.к. ∆m 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. При бомбардировке изотопа 5 10 В нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается альфа- частица. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, а также периодической системой элементов, запишите ядерную реакцию.
Контрольная работа № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
1. В состав радиоактивного излучения могут входить…
А. Только электроны.
Б. Только нейтроны.
В. Только альфа-частицы.
Г. Бета- частицы, альфа-частицы, гамма-кванты.
2. С помощью опытов Резерфорд установил, что…
А. Положительный заряд распределён равномерно по всему объёму атома.
Б. Положительный заряд сосредоточен в центре атома и занимает очень малый объём.
В. В состав атома входят электроны.
Г. Атом не имеет внутренней структуры.
На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Электроны изображены в виде чёрных точек.
В состав ядра входят следующие частицы:
А. Только протоны.
Б. Протоны и электроны.
В. Протоны и нейтроны
Г. Нейтроны и электроны.
5. Чему равен заряд ядра атома стронция 38 88 Sr?
А. 88 Б. 38 В. 50 Г. 126.
В каком из приведённых ниже уравнений ядерных реакций нарушен закон сохранения массового числа?
6. Ядерные силы, действующие между нуклонами …
А. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между заряжёнными частицами.
Б. Во много раз превосходят все виды сил и действуют на любых расстояниях.
В. Во много раз превосходят все другие виды сил, но действуют только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра.
Г. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между любыми частицами.
Массы протона и электрона…
А. Относятся как 1836 : 1.
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1 : 1836.
Г. Приблизительно равно нулю.
А. 26 нейтронов и 56 протонов.
Б. 56 нейтронов и 26 протонов.
В. 26 протонов и 56 электронов.
Г. 26 протонов и 30 нейтронов.
В каком приборе происхождение ионизирующей частицы регистрируется по возникновению импульса электрического тока в результате возникновения самостоятельного разряда в газе?
А. В камере Вильсона.
Б. В счётчике Гейгера.
В. В сцинцилляционном счетчике.
Г. В пузырьковой камере.
Определите второй продукт Х ядерной реакции:
А. Альфа-частица ( 2 4 Не).
12. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона mn, свободного протона mp. Какое из приведённых ниже условий выполняется для массы ядра mя?
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных- условие Б.
13. Рассчитать дефект масс ( ∆ m ) в а. е. м. Ядра атома 2 3 Не. Массы частиц и ядра, выраженные в а. е. м., соответственно равны: mn= 1,00866; mp = 1,00728;
А. ∆ m ≈ 0,072 Б. ∆ m ≈ 0,0072 В. ∆ m ≈ -0,0072 Г .∆ m ≈ 0
14. В каких единицах будет получено значение энергии при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆E=m*c 2 ?
А. В электрон-вольтах ( эВ).
Б. В мегаэлектрон-вольтах (МэВ)
15. В ядерном реакторе в качестве так называемых замедлителей используются такие вещества, как графит или вода. Что они должны замедлять и зачем?
А. Замедляют нейтроны для уменьшения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
Б. Замедляют нейтроны для увеличения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
В. Замедляют осуществление цепной реакции деления, чтобы легче было управлять реактором.
Г. Замедляют осколки ядер, образовавшихся в результате деления урана, для практического использования их кинетической энергии.
16. Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внутреннем облучении человека?
Г. Все три вида излучения: альфа, бета, гамма.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 10 20 Ne и 10 22 Ne
А. изотоп 10 20 Ne имеет в ядре на 2 протона больше, чем 10 22 Ne
Б. изотоп 10 20 Ne имеет в ядре на 2 протона меньше, чем 10 22 Ne
В. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона больше, чем 10 20 Ne
Г. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 10 20 Ne
18.При бетта- распаде атомных ядер…
А. Масса ядра остается практически неизменной, поэтому массовое число сохраняется, а заряд увеличивается .
Б. Массовое число увеличивается на 1, а заряд уменьшается на 1.
В. Массовое число сохраняется, а заряд уменьшается на 1.
Г. Массовое число уменьшается на 1, заряд сохраняется.
19. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции 7 14 N + 2 4 Не → 8 17 О + 1 1 Н ? Массы ядер и частиц( в а. м.) соответственно равны: m7 14 N= 14,00307, m2 4 Не = 4,00260, m 8 17 О=16,99913, m 1 1 Н =1,00728.
А. Поглощается, т.к. ∆m 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, а также периодической системой элементов, написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке 5 11 В альфа – частицами и сопровождаемую выбиванием нейтронов
к контрольной работе № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
gigabaza.ru
Урок физики по теме «Деление ядер урана. Лабораторная работа №7»
Успейте воспользоваться скидками до 50% на курсы «Инфоурок»
Внимательно рассмотрите фотографию треков.
Н а ней видны треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана находилось в точке g, указанной стрелочкой.
По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противоположных направлениях (излом левого трека объясняется столкновением осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).
Известно, что законы сохранения играют в ядерной физике особую роль. Вспомним основные законы сохранения, которые нам понадобятся для успешного написания сегодняшней работы.
Закон сохранения импульса: Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.
Закон сохранения электрического заряда: В ядерных реакциях суммарный электрический заряд во входном канале равен суммарному электрическому заряду в выходном канале.
Закон сохранения числа нуклонов: В ядерных реакциях сумма массовых чисел до реакции равна сумме массовых чисел после реакции.
Выполните лабораторную работу
1 задание: пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях.
Письменно ответьте: одинаковы ли заряды и энергия осколков? В ответе укажите, по каким признакам можно судить об этом?
Известно, что осколки ядра урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева. Одна из возможных реакций деления урана может быть записана в символическом виде следующим образом: где символом ZX обозначено ядро атома одного из химических элементов.
(Вариант ответа: Ядро урана при захвате нейтрона разделяется примерно на две равные части, которые называются осколками деления. При этом осколки разлетаются в противоположные стороны. Это можно объяснить на основе закона сохранения импульса. Импульс ядра урана до захвата нейтрона практически равен нулю. При захвате нейтрона ядро, получая от него некоторый импульс, раскалывается на две разлетающихся части массами m1 и m2 . Если записать закон сохранения импульса: )
2 задание: пользуясь законом сохранения заряда и таблицей Дмитрия Ивановича Менделеева, определите, что это за неизвестный элемент.
В силу закона сохранения заряда запишем: 92 + 0 = 56 + Z + 2 * 0. Отсюда получаем Z = 36. По таблице Д.И. Менделеева определяем, что это ядро криптона.
В конце работы не забудьте сделать общий вывод о проделанной работе.
VI . Домашнее задание. § 74,75, ответить на вопросы.
Перышкин А. В. Гутник Е.М. Физика 9кл.: учебник для общеобраз. учреждений, М.: Дрофа, 2009г.
Марон Е.А. Опорные конспекты и разноуровневые задания к учебнику А.В.Перышкина «Физика 8 класс» СПб ООО «Виктория плюс», 2009г
infourok.ru
Пользуясь законами сохранения
Пользуясь различными законами сохранения можно предсказать многие особенности ядерных реакций.
Используются следующие точные законы сохранения:
1) сохранение электрического заряда;
2) сохранение полного числа нуклонов (в реакциях без образования античастиц);
3) сохранение полной энергии;
4) сохранение импульса;
5) сохранение момента количества движения;
Кроме того, используются и другие законы сохранения:
6) при пренебрежении слабыми взаимодействиями — закон сохранения четности врлновой функции;
7) при пренебрежении электромагнитными взаимодействиями — закон сохранения изотопического спина.
Рассмотрим подробнее особенности применения этих законов к ядерным реакциям.
1. Как показывает опыт, во всех без исключения ядерных реакциях суммарный электрический заряд частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции.
2. В ядерных реакциях обычного типа без образования античастиц сохраняется полное число нуклонов.
Закон сохранения числа нуклонов свидетельствует, например, о том, что протон не может аннигилировать с электроном т. е. запрещает процессы типа
Это определяет невозможность «аннигиляции» атома водорода и стабильность нашего мира.
Проиллюстрируем первые два закона сохранения на примере нескольких ядерных реакций:
3. Известно, что в изолированной системе сохраняются полная энергия и полный импульс. Систему из двух соударяющихся ядерных частиц можно считать изолированной (замкнутой), так как остальные ядра вещества удалены на расстоянии порядка 
см, а размеры самих ядер малы 
Закон сохранения полной энергии для реакции типа
может быть записан в виде
где 
энергии покоя частицы или ядра, — их кинетические энергии.
Бели обозначить «сумму кинетических энергий исходного Ядра и налетающей частицы через 
а сумму их энергий покоя через
соответственно сумму кинетических энергий продуктов реакции, как 
и их энергий покоя
то условие (91) запишется в виде
Перестройка ядер в процессе реакции сопровождается изменением их внутренней энергии и, следовательно, массы покоя ядер. Разность энергий покоя называется энергией реакции и обозначается 
Когда 
в результате реакции выделяется кинетическая энергия за счет уменьшения энергии покоя. Такая реакция называется экзоэнергетической и может идти при любой кинетической энергии падающей частицы, достаточной для преодоления потенциального барьера.
При 
реакция идет с уменьшением кинетической энергии, за счет которой возрастает энергия покоя. Такая реакция называется эндоэнергетической и может идти только при больших энергиях падающей частицы, превышающих некоторое пороговое значение 
Значение 
можно получить, решая совместно уравнения для сохранения энергии и импульса
(В случае эндоэнергетических реакций, идущих под действием 
Когда 
происходит упругое рассеяние, при котором сохраняется не только полная, но и кинетическая энергия, а значит и энергия покоя (т. е. масса частиц).
Примером экзоэнергетической реакции может служить реакция
где кинетическая энергия ядра гелия и нейтрона равна 
Однако эта реакция из-за необходимости преодолевать кулоновский потенциальный барьер идет с заметной вероятностью только при энергиях дейтона 
Примером эндоэнергетической реакции может служить реакция
где 
4. Закон сохранения импульса для реакции, сопровождающейся вылетом частицы 
имеет вид:
Обычно предполагается, что мишень локоится, т. е. 
Пользуясь законами сохранения энергии и импульса, можно определить связь между угловым и энергетическим распределением продуктов реакции. Например, для обычного случая, изображенного на рис. 72, закон сохранения энергии имеет вид
Рис. 72. Схема ядерной реакции
Закон сохранения импульса может быть записан в виде двух уравнений для проекций импульса на оси х и у. Если ось х направлена вдоль 
, то
Решая систему трех уравнений (94), (95) и (96), для четырех величин: 
можно найти, например, связь скоростей частиц 
и В при данных углах их вылета 
и 0, а также найти связь угла вылета одной из частиц — продуктов с углом вылета второй частицы и скоростями.
5. При ядерной реакции сохраняется суммарный момент количества движений взаимодействующих частиц (под частицами мы здесь понимаем также ядра — мишени и отдачи) и проекция его на выбранное направление, например,
где 
спины соответствующих частиц и ядер; 
орбитальные моменты соответствующих пар частиц, характеризующие их относительное движение.
Применение закона сохранения момента количества движения с учетом того, что векторы 
являются квантовомеханическими величинами, приводит к определенным правилам отбора, с которыми мы уже встречались при рассмотрении 
и 
-распадов и 
Перечисленные пять законов сохранения справедливы и в ядерных превращениях типа радиоактивных распадов 
и 
-распады), а также в любых взаимодействиях между элементарными частицами (ем. гл. 8).
6. Закон сохранения четности выполняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Для ядерных реакций того же типа 
В закон сохранения четности записывается в виде (см. § 8)
где 
внутренние четности взаимодействующих и образующихся частиц и ядер; 
орбитальные моменты пар частиц 
и 
Применение закона сохранения четности также приводит к некоторым правилам отбора 
7. В главе 2 уже говорилось, что ядерные силы инвариантны по отношению к вращению в изотопическом пространстве, т. е. характер взаимодействия не зависит от сорта нуклона. Это свойство называется «изотопической инвариантностью» взаимодействия. Однако оно не относится к электромагнитным взаимодействиям частиц и нарушается, если их учитывать. Ситуация здесь аналогична инвариантности взаимодействия относительно вращения в обычном трехмерном пространстве, приводящей к закону сохранения момента количества движения.
Проекция изотопического спина на ось 
для ядра определяется выражением
Следовательно, полное значение изотопического спина может быть только больше этой величины:
Опыт изучения ядерных реакций, обусловленных сильными взаимодействиями, показывает, что в них выполняется закон сохранения изотопического спина, который приводит к определенным правилам отбора по изотопическому спину. Так, например, 
-частица 
может быть испущена ядром только в том случае, если его 
начальное и конечное состояния имеют одинаковые значения изотопического спина.
К закону сохранения изотопического спина мы вернемся еще раз в разделе об элементарных частицах.
info.sernam.ru
Упругие и неупругие соударения
Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда действующие силы неизвестны. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.
С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц).
Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.
В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.
Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.
При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание).
Примером абсолютно неупругого удара может служить попадание пули (или снаряда) в баллистический маятник. Маятник представляет собой ящик с песком массой M, подвешенный на веревках (рис. 1.21.1). Пуля массой m, летящая горизонтально со скоростью 
попадает в ящик и застревает в нем. По отклонению маятника можно определить скорость пули.
Обозначим скорость ящика с застрявшей в нем пулей через 
Тогда по закону сохранения импульса
При застревании пули в песке произошла потеря механической энергии:
Отношение M / (M + m) – доля кинетической энергии пули, перешедшая во внутреннюю энергию системы:
Эта формула применима не только к баллистическому маятнику, но и к любому неупругому соударению двух тел с разными массами.
При m > М) отношение
Дальнейшее движение маятника можно рассчитать с помощью закона сохранения механической энергии:
где h – максимальная высота подъема маятника. Из этих соотношений следует:
Измеряя на опыте высоту h подъема маятника, можно определить скорость пули υ.
www.its-physics.org
Законы сохранения при ядерных реакциях
Законы сохранения при ядерных реакциях
Пользуясь различными законами сохранения можно предсказать многие особенности ядерных реакций.
Используются следующие точные законы сохранения:
1) сохранение электрического заряда;
2) сохранение полного числа нуклонов (в реакциях без образования античастиц);
3) сохранение полной энергии;
4) сохранение импульса;
5) сохранение момента количества движения;
Кроме того, используются и другие законы сохранения:
6) при пренебрежении слабыми взаимодействиями — закон сохранения четности врлновой функции;
7) при пренебрежении электромагнитными взаимодействиями — закон сохранения изотопического спина.
Рассмотрим подробнее особенности применения этих законов к ядерным реакциям.
1. Как показывает опыт, во всех без исключения ядерных реакциях суммарный электрический заряд частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции.
2. В ядерных реакциях обычного типа без образования античастиц сохраняется полное число нуклонов.
Закон сохранения числа нуклонов свидетельствует, например, о том, что протон не может аннигилировать с электроном т. е. запрещает процессы типа
Это определяет невозможность «аннигиляции» атома водорода и стабильность нашего мира.
Проиллюстрируем первые два закона сохранения на примере нескольких ядерных реакций:
3. Известно, что в изолированной системе сохраняются полная энергия и полный импульс. Систему из двух соударяющихся ядерных частиц можно считать изолированной (замкнутой), так как остальные ядра вещества удалены на расстоянии порядка см, а размеры самих ядер малы
Закон сохранения полной энергии для реакции типа
может быть записан в виде
где энергии покоя частицы или ядра, — их кинетические энергии.
Бели обозначить «сумму кинетических энергий исходного Ядра и налетающей частицы через а сумму их энергий покоя через
соответственно сумму кинетических энергий продуктов реакции, как и их энергий покоя
то условие (91) запишется в виде
Перестройка ядер в процессе реакции сопровождается изменением их внутренней энергии и, следовательно, массы покоя ядер. Разность энергий покоя называется энергией реакции и обозначается
Когда в результате реакции выделяется кинетическая энергия за счет уменьшения энергии покоя. Такая реакция называется экзоэнергетической и может идти при любой кинетической энергии падающей частицы, достаточной для преодоления потенциального барьера.
При реакция идет с уменьшением кинетической энергии, за счет которой возрастает энергия покоя. Такая реакция называется эндоэнергетической и может идти только при больших энергиях падающей частицы, превышающих некоторое пороговое значение Значение можно получить, решая совместно уравнения для сохранения энергии и импульса
(В случае эндоэнергетических реакций, идущих под действием
Когда происходит упругое рассеяние, при котором сохраняется не только полная, но и кинетическая энергия, а значит и энергия покоя (т. е. масса частиц).
Примером экзоэнергетической реакции может служить реакция
где кинетическая энергия ядра гелия и нейтрона равна Однако эта реакция из-за необходимости преодолевать кулоновский потенциальный барьер идет с заметной вероятностью только при энергиях дейтона
Примером эндоэнергетической реакции может служить реакция
где
4. Закон сохранения импульса для реакции, сопровождающейся вылетом частицы имеет вид:
Обычно предполагается, что мишень локоится, т. е.
Пользуясь законами сохранения энергии и импульса, можно определить связь между угловым и энергетическим распределением продуктов реакции. Например, для обычного случая, изображенного на рис. 72, закон сохранения энергии имеет вид
Рис. 72. Схема ядерной реакции
Закон сохранения импульса может быть записан в виде двух уравнений для проекций импульса на оси х и у. Если ось х направлена вдоль , то
Решая систему трех уравнений (94), (95) и (96), для четырех величин: можно найти, например, связь скоростей частиц и В при данных углах их вылета и 0, а также найти связь угла вылета одной из частиц — продуктов с углом вылета второй частицы и скоростями.
5. При ядерной реакции сохраняется суммарный момент количества движений взаимодействующих частиц (под частицами мы здесь понимаем также ядра — мишени и отдачи) и проекция его на выбранное направление, например,
где спины соответствующих частиц и ядер; орбитальные моменты соответствующих пар частиц, характеризующие их относительное движение.
Применение закона сохранения момента количества движения с учетом того, что векторы являются квантовомеханическими величинами, приводит к определенным правилам отбора, с которыми мы уже встречались при рассмотрении и -распадов и
Перечисленные пять законов сохранения справедливы и в ядерных превращениях типа радиоактивных распадов и -распады), а также в любых взаимодействиях между элементарными частицами (ем. гл. 8).
6. Закон сохранения четности выполняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Для ядерных реакций того же типа В закон сохранения четности записывается в виде (см. § 8)
где внутренние четности взаимодействующих и образующихся частиц и ядер; орбитальные моменты пар частиц и
Применение закона сохранения четности также приводит к некоторым правилам отбора
7. В главе 2 уже говорилось, что ядерные силы инвариантны по отношению к вращению в изотопическом пространстве, т. е. характер взаимодействия не зависит от сорта нуклона. Это свойство называется «изотопической инвариантностью» взаимодействия. Однако оно не относится к электромагнитным взаимодействиям частиц и нарушается, если их учитывать. Ситуация здесь аналогична инвариантности взаимодействия относительно вращения в обычном трехмерном пространстве, приводящей к закону сохранения момента количества движения.
Проекция изотопического спина на ось для ядра определяется выражением
Следовательно, полное значение изотопического спина может быть только больше этой величины:
Опыт изучения ядерных реакций, обусловленных сильными взаимодействиями, показывает, что в них выполняется закон сохранения изотопического спина, который приводит к определенным правилам отбора по изотопическому спину. Так, например, -частица может быть испущена ядром только в том случае, если его начальное и конечное состояния имеют одинаковые значения изотопического спина.
К закону сохранения изотопического спина мы вернемся еще раз в разделе об элементарных частицах.
В ядерных реакциях сохраняется полный момент количества движения замкнутой системы 
.
где i ,f − полные моменты количества движения в начальном и конечном состояниях,
где A,a, B, b − спины частиц (ядер) a, A, b, B, 
a − орбитальный момент частицы a относительно A, b − орбитальный момент частицы b относительно B. Орбитальные моменты могут принимать только целочисленные значения. Для l = 0 волновая функция, описывающая относительное движение частиц, сферически-симметричная, для l ≠ 0 это функция зависящая от
cos l θ (θ − угол рассеяния).
Для квантовомеханического вектора одновременно могут быть определены квадрат его модуля
|| 2 = J(J + 1) и проекция на произвольную ось Jz. Проекция Jz может принимать различные значения в диапазоне от J до -J. Сумма двух квантовых векторов 1 + 2 может принимать значения
|J1 — J2|, | J1 — J2 + 1|, . J1 + J2 — 1, J1 + J2.
Закон сохранения пространственной четности
В сильных и электромагнитных взаимодействиях пространственная четность P сохраняется. В слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется. Закон сохранения четности — мультипликативный закон.
где Pa, PA, Pb, PB — внутренние четности частиц (ядер) a, A, b, B , la, lb − относительные орбитальные моменты.
Электрические фотоны имеют четность (-1) j , магнитные − (-1) j+1 , где j − мультипольность фотона.
Закон сохранения изотопического спина
Если процесс происходит в результате сильного взаимодействия, то суммарный изоспин 
и его проекция Iz сохраняются. В электромагнитных процессах сохраняется только проекция изоспина. В слабых взаимодействиях изоспин и его проекция не сохраняются. Для электромагнитных дипольных переходов выполняется правило отбора I = 0, 1. Закон сохранения изотопического спина — аддитивный закон.
Для реакции a + A 
b + B, идущей через сильное взаимодействие
где a,A,b,B − изотопические спины частиц (ядер) a, A, b, B во входном и выходном каналах.
Ядро в различных энергетических состояниях может иметь различные значения изоспина от
Imin = (N-Z)/2 до Imax = A/2).
Проекция изоспина для ядра Iz равна сумме прекций изоспинов всех нуклонов:
Численная величина изоспина основного состояния ядра равна модулю его проекции Iz
Ядерная реакция – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами ) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
, или 
,
где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частица.
В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния; эффективное сечение поглощения.
Эффективное сечение ядерной реакции σ находится по формуле:
где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма n ядер; dN– число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция.
Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1 барн = 10 –28 м 2 ).
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).
Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:
Первая стадия – это захват ядром X частицы a, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 
), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра, один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон) или α—частица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.
В ядерной физике вводится характерное ядерное время – время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра ( 
). Так для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует её скорости 10 7 м/с) характерное ядерное время 
. С другой стороны, доказано, что время жизни составного ядра 10 –16 – 10 –12 с, т.е. составляет (10 6 – 10 10 )τ. Это означает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столкновений нуклонов между собой, т.е. перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно. Следовательно, составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускаемые им частицы b) – вторая стадия ядерной реакции – не зависит от способа образования составного ядра, первой стадии.
Если испущенная частица тождественна с захваченной ( 
), то схема (4.5.2) описывает рассеяние частицы: упругое – при 
; неупругое – при 
. Если же испущенная частица не тождественна с захваченной ( 
), то имеем сходство с ядерной реакцией в прямом смысле слова.
Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).
Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:
· по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;
· по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольтов), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
· по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А 100);
· по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испускании одинго или нескольких γ-квантов).
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Деление ядер. Радиоактивность. Атомная электростанция.
Ядерные реакции
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.
Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Энрико Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина
где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q – -распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.
При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 6.8.1.
Схема развития цепной реакции
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп 
также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.
Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.
Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.
Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.
В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.
Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 6.8.2.
Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах
Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.
Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.
Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.
Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.
Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа 
. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β – -распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:
Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.
Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова.
2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис 6.6.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A –15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 –10 9 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития
выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.
На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.
minjustbryansk.ru