Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции. Ядерные силы

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтрона­ми. Обозначается нейтрон п. После открытия ней­трона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома лю­бого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Об­щее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с но­мером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. На­пример, ядро атома кислорода ¹⁶₈O состоит из 8 про­тонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома ²³⁵₉₂U со­стоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водо­род имеет три изотопа: протий — ядро состоит из од­ного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нукло­нов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, су­ществует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Μ_я - (M_p + Μ_n).

Ядерные силы:

В состав ядра входят нуклоны (протоны и нейтроны). Между одинаково заряженные протонами действуют электростатические силы отталкивания, однако ядро не "разлетается" на отдельные частицы. Между протонами и нейтронами внутри ядра действуют ядерные силы - силы притяжения, намного превосходящие электростатические.
Ядерные силы по величине в 100 раз превосходят электростатические и называются сильным взаимодействием.
Ядерные силы проявляются лишь на расстояниях внутри ядра, поэтому считаются короткодействующими, в то время как электростатические силы - дальнодействующими.
Энергия взаимодействия нуклонов велика; она называется внутриядерной, или ядерной.
Протоны и нейтроны, входящие в состав любого ядра, не являются неделимыми элементарными частицами, а состоят из кварков.

Кварки, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь глюонами - переносчиками истинно сильного взаимодействия (оно в тысяче раз сильнее того, которое действует между протонами и нейтронами в ядре). В результате протоны и нейтроны оказываются очень сильно связанными системами, которые невозможно разбить на составные части.

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc², то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на­зывается энергией связи атомного ядра. Е_св = Мс².

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.

Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимо­действии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций вы­полняются законы сохранения электрических заря­дов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чи­сел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления — это ядерная ре­акция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходи­мым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k -— коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа ней­тронов в данном поколении к их числу в пре­дыдущем поколении. Способностью к цепной ядер­ной реакции обладает изотоп урана ²³⁵U. При нали­чии определенных критических параметров (крити­ческая масса — 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении пер­вого ядра попадают в три соседних, ядра и т. д. Про­цесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправ­ляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цеп­ной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руковод­ством И. В. Курчатова.

Термоядерные реакции — это реакции синте­за легких ядер, происходящие при высокой темпера­туре (примерно 10⁷ К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в нед­рах звезд. На Земле термоядерная реакция осущест­влена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

Билет №26