Реакции деления атомных ядер. Капельная модель ядра. Мгновенные и запаздывающие нейтроны. Критическая энергия.

Реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под

действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц, делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β^--превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как

β^--распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки β^--превращений соотношение между нейтронами и протонами

в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. На-

пример, при делении ядра урана .

осколок деления в результате трех актов β^--распада превращается в стабильный изотоп лантана .

Осколки деления могут быть разнообразными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению

. Возможна, например, реакция

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 пропорционален числу частиц. Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю 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.

43. Дефект массы и энергия связи атомных ядер. Два пути получения ядерной энергии.

Масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то, следовательно, при образовании ядра должна выделяться определенная энергия. Из закона сохранения энергии вытекает и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании.

Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные

нуклоны, называется энергией связи ядра. Энергия связи нуклонов в ядре.

Или

Величину называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Часто вместо энергии связи рассматривают удельную энергию связи —энергию связи, отнесенную к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т.е чем больше , тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от масссового числа А элемента. Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому

связь между нуклонами становится менее сильной, а сами ядра менее прочными.

Два пути получения энергии: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые

44. Взаимодействие нуклонов. Понятие о свойствах и природе ядерных сил. Обменное взаимодействие. Мезоны. Взаимодействие нуклонов осуществляется испусканием и поглощением мюонов. Это наиболее сильное взаимодействие элементарных частиц (его длительность 10 - 23 с) ответственно за силы, связывающие нуклоны в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие, сводящееся к обмену фотонов, длится 10 - 21 с; электромагнитные силы примерно в сто раз слабее ядерных. Эги два типа взаимодействия условились называть сильными в противоположность слабому взаимодействию, имеющему место при таких превращениях частиц, в которых участвуют нейтрино

Между нуклонами в ядре действуют силы притяжения – ядерные силы. Ядерные силы относятся, наряду с гравитационными и электромагнитными, к числу так называемых фундаментальных сил природы. В квантовой механике вместо понятия “сила” чаще используется понятие “взаимодействие”. Синонимом выражения “ядерные силы” является выражение “сильное взаимодействие”. Этим выражением подчеркивается тот факт, что ядерные силы гораздо более “сильные”, чем электромагнитные и тем более гравитационные. Ведь ядерные силы удерживают в ядре одноименно заряженные протоны, которые по закону Кулона отталкиваются, и незаряженные нейтроны. Не будь ядерных сил, ядра разлетелись бы на отдельные нуклоны. Таким образом, ядерные силы самые “сильные” в природе.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, радиус действия которых равен бесконечности, ядерные силы являются короткодействующими, так как они очень быстро убывают с расстоянием. На расстояниях, превышающих примерно r0»10-15 м, ядерные силы становятся практически равными нулю. Величина r0 называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения, заключающимся в том, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом ближайших соседей.

3. Величина сильного взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов.

4. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости, выражающимся в том, что величина ядерных сил не зависит от электрического заряда взаимодействующих нуклонов.

Свойства насыщения и короткодействия ядерных сил объясняются их природой. Эти силы относятся к числу так называемых обменных сил, т.е. возникают между двумя частицами благодаря обмену третьей частицей. Такой частицей, выполняющей роль “переносчика” сильного взаимодействия, является p - мезон. Существует три типа p - мезонов: p +, p -, p 0 – мезоны. Нуклон в ядре испускает p -мезон, который затем поглощается соседним нуклоном. В свою очередь, этот второй нуклон испускает p -мезон, который поглощается первым нуклоном. Обмен мезонами и приводит к взаимодействию между нуклонами.

Обмен p - мезонами можно выразить следующими реакциями:

Таким образом, в ходе обмена p - мезонами протоны непрерывно превращаются в нейтроны, а нейтроны – в протоны. Поэтому в составе ядра вообще нет принципиальной разницы между протонами и нейтронами. Их можно рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона.

Дата добавления: 2015-07-12