Dalībnieka diskusija:Ozirus24

Kodolreakcijas un nezūdamības likumi.

Par kodolreakcijām sauc procesus kuros atomu kodolu un elementārdaļiņu vai kodolu savstarpējās mijiedarbības rezultātā notiek kodolu pārvēršanās.

Kodolreakcijas realizē, apšaudot viena ķīmiskā elementa kodolus ar daļiņām:

X + a →Y + b, 

kur

X,Y 
- attiecīgi mērķkodols un produktkodols, 

a

– bombardējošā daļiņa,

b

– kodolreakcijā radusies daļiņa.

Nezūdamības likumi kodolreakcijās:

Mērķkodola un bombardējošās daļiņas lādiņu skaitļu (masas skaitļu) summai jābūt vienādai ar produktkodola un radušās daļiņas lādiņu skaitļu (masas skaitļu) summu.

Rezerfords 1919.g. realizē pirmo kodolreakciju

Ir piepildījies gadsimtiem ilgušais alķīmiķu sapnis – ķīmisku reakciju ceļā no lētiem elementiem iegūt dārgmetālus! Šai brīdī dzima kodolķīmija.

Kodolreakcijā izdalīto vai absorbēto enerģiju aprēķina, zinot miera masas tām daļiņām, kuras piedalās reakcijā:

Q (mX + Ma –mY – mb)c2 (12.11) 

Kodolreakcija ir eksotermiska, ja tajā izdalās enerģija

(Q > 0). 

Kodolreakcija ir endotermiska, ja tajā enerģija tiek absorbēta

(Q < 0).

Ir jāsaskata atšķirība starp ķīmiskajām reakcijām un kodolreakcijām:

Ķīmiskā enerģija saistīta ar elektronu saites enerģijas izmaiņām.

Kodolenerģija ir atkarīga no nuklonu saites enerģijas izmaiņām.

Kodolu dalīšanās reakcijas. Ķēdes reakcijas. 

O.Hāns un F.Štrāsmanis 1938.g. , apstarojot ar neitroniem urānu, pirmo reizi novēro mākslīgi izraisītu kodolu dalīšanās reakciju.

Neitroni ar kinētisko enerģiju lielāku par 100 MeV var sašķelt jebkuru kodolu, bet dažu citu elementu atomu kodolu dalīšanos izraisa neitroni ar jebkuru enerģiju, pie tam jo mazāka ir neitronu enerģija, jo efektīvāka to iedarbība.

Kodolu dalīšanās mehānisms.

Kodolā, kas absorbē neitronu un iegūst papildu enerģiju, var sākties atsevišķu nuklonu grupu svārstības, kas izraisa kodola formas maiņu. Nedeformētā kodolā tā virsmas spraiguma spēki kompensē Kulona atgrūšanās spēkus, bet ierosinātā kodolā tā formas deformācija var pārsniegt kritisko robežu, kad Kulona spēki vairs netiek kompensēti. Tad kodola daļas Kulona atgrūšanās spēku dēļ attālinās un izveidojas divi jauni kodoli. Attālumā, kādā atrodas jaunie kodoli tūlīt pēc dalīšanās (> 2,2 10-15 m), pievilkšanās kodolspēki vairs nedarbojas, bet tik mazos attālumos darbojas lieli Kulona atgrūšanās spēki. Abi dalīšanās kodoli aizlido pretējos virzienos ar lielu kinētisko enerģiju.

Tā kā urānā neitronu skaits ir aptuveni 1,6 reizes lielāks par protonu skaitu, viena kodola dalīšanās laikā rodas 2 vai 3 neitroni (att.d) ar enerģiju no 0 līdz 10 MeV.

Viena

dalīšanās aktā rodas aptuveni 210 MeV enerģija, no kuras

11 MeV aiznes antineitrīno, bet pārēju enerģiju (dalīšanās kodolu kinētisko enerģiju, neitronu, elektronu un kvantu enerģiju saņem apkārtējā vide.

kodolam daloties, var rasties ap 40 dažādu dalīšanās kodolu pāru.

Kodolu dalīšanās ķēdes reakcija.

Kodolu dalīšanās ķēdes reakcijā rodas jauni šādas reakcijas ierosinātāji – neitroni.

Katrs emitētais neitrons zināmu laiku eksistē ārpus kodoliem un vai nu izraisa jaunu kodolu dalīšanos, vai arī nepiedalās reakcijās.

Reakcijas attīstību laikā nosaka neitronu pavairošanas koeficients k, kas rāda cik neitronu vidēji rada katrs iepriekšējais neitrons.

Lai realizētu vadāmu dalīšanās reakciju, jānodrošina iespēja regulēt k: 1) samazināt, ja reakcijas intensitāte ir par lielu, 2)palielināt, ja reakcijas intensitāte ir par mazu, un 3)saglabāt k = 1 , ja sasniegta vēlamā reakcijas intensitāte.

Neitronu pavairošanas koeficients ir proporcionāls aktīvās zonas izmēriem.

Izmēram, pie kāda neitronu pavairošanas koeficients k = 1, atbilstošo skaldāmā materiāla

masu sauc par kritisko masu.

Tīra urāna

kritiskā masa ir 48kg (lode ar 17 cm diametru). Kritisko masu var ievērojami samazināt, aptverot aktīvo zonu ar neitronu atstarotāju. Ja tiek sasniegta kritiskā masa, ķēdes reakcijas intensitāte pieaug ļoti strauji, sprādzienveidā (piem., atombumbā).

Atoma kodola sastāvs, lādiņš, masa, izmēri.

Atoma kodols sastāv no elementārdaļiņām – protoniem un neitroniem, kurus vienā vārdā sauc par nukloniem. Līdz 1932.g. uzskatīja, ka atoma kodolā ietilpst protoni un elektroni. Bet šajā hipotēzē viena no pretrunām bija tā, ka kodola summārais spins neatbilst eksperimentāli noteiktajam. Dž.Čedviks 1932.g.,bombardējot berīliju ar hēlija kodoliem - α - daļiņām, atklāja jaunu neitrālu elementārdaļiņu – neitronu. V.Heizenbergs un D.Ivaņenko neatkarīgi viens no otra izsaka hipotēzi, ka atoma kodols sastāv no Z skaita protoniem un N skaita neitroniem.

Protona masa m_p = 1836m_e, lādiņš e = +1,6.10-19C. Neitrona masa m_n = 1839m_e, lādiņš q = 0.

Kodola lādiņu nosaka protona lādiņu pareizinot ar lādiņa skaitli (atoma skaitli) Z: qK = Ze.

Tā kā protona un neitrona masas ir gandrīz vienādas, kodola masas raksturošanai ieved masas skaitli A: A = Z + N.

Tuvināti atoma kodola masu aprēķina: m_K = Au, kur u = 1.66.10^-27 kg ir atommasas vienība.

Ķīmiskā elementa X atoma kodolu apzīmē šādi Z _A X , piemēram, ⁸² ₂₁₀Pb.

Par izotopiem sauc kodolus ar vienādiem lādiņa skaitļiem Z, bet dažādiem masas skaitļiem A.

Par izobāriem sauc kodolus ar vienādiem masas skaitļiem A, bet dažādiem lādiņa skaitļiem Z.

Par izotoniem sauc kodolus ar vienādiem neitronu skaitiem.

Eksperimentos ar elektronu un neitronu izkliedi no atomu kodoliem noskaidrots, ka kodola rādiusu var aprēķināt pēc šādas formulas: R=r₀³$A$ kur r₀ = 1,2.10^-15m.

Nuklonu mijiedarbība. Kodolspēki.

Kodolā starp nukloniem būtiska nozīme ir: 1) elektromagnētiskai mijiedarbībai starp protoniem, kura izraisa to atgrūšanos un nosaka smago elementu kodolu nestabilitāti; 2) stiprai mijiedarbībai, kas saista protonus un neitronus kodolā un nosaka kodolspēkus.

Kodolspēki.

Spēkus, kuri darbojas starp nukloniem, nodrošinot kodola stabilitāti, sauc par kodolspēkiem. Kodolspēku būtiskākās īpašības: 1) visintensīvākie mijiedarbības spēki dabā; 2) tuvdarbības spēki – tie sāk darboties, ja attālums starp nukloniem samazinās līdz 10^-15 m; 3) nav atkarīgi no elektriskā lādiņa; 4) kodolspēki ir piesātināti – katrs nuklons kodolā ir saistīts tikai ar tuvākajiem nukloniem, nevis ar visiem pārējiem kodolā ietilpstošajiem; 5) kodolspēki ir apmaiņas spēki – tie rodas nukloniem nepārtraukti apmainoties ar virtuālām elementārdaļiņām - π mezoniem.

Kodola saites enerģija. Kodolu masas defekts.

Nuklonu mijiedarbību kodolā kvantitatīvi raksturo kodola saites enerģija.

Kodola saites enerģija ir vienāda ar darbu, kāds jāpastrādā, lai kodolā esošos nuklonus atdalītu citus no cita, nepiešķirot kinētisko enerģiju, un pārvietotu tādos attālumos, kuros noklonu mijiedarbību var neievērot.

Nukloniem apvienojoties kodolā, izdalās enerģija, kas vienāda ar saites enerģiju ΔE_S. Jo lielāka saites enerģija, jo stabilāks kodols.

Kā aprēķināt saites enerģiju?

Masspektroskopijas atomu kodolu masas mērījumi rāda, ka kodola masa ir mazāka par kodolā ietilpstošo atsevišķo nuklonu masu summu. Šo masu starpību sauc par masas defektu: Δm = [Zm_p + (A-Z)m_n] - m_K

Praksē ērtāk lietot šādu formulu: Δm = [Zm_H + (A-Z)m_n] – m_A ,

kur m_H – ūdeņraža atoma masa, m_A – atoma masa.

Kur pazūd nuklonu masa? Saskaņā ar Einšteina relativitātes teoriju, nukloniem apvienojoties atoma kodolā, daļa to masas pārvēršas saites enerģijā: ΔE_S = Δmc², kur c – gaismas ātrums vakuumā.

Izdalot saites enerģiju ΔE_S ar masas skaitli A iegūst īpatnējo saites enerģiju.

Īpatnējās saites enerģijas atkarība no masas skaitļa.

Jo lielāka saites enerģija, jo stabilāks kodols. Attēlā redzams, ka vairumam ķīmisko elementu īpatnējā saites enerģija ir robežās no 7,5 līdz 8,8 MeV/nuklonu. Visstabilākie ir kodoli ar masas skaitli robežās no 50 līdz 80. Saites enerģija būtiski samazinās viegliem un ļoti smagiem elementiem.

Radioaktivitāte un tās veidi. Nobīdes likumi.

Radioaktivitāte ir patvaļīga nestabilu atomu kodolu pārvēršanās citu atomu kodolos, izstarojot vienu vai vairākas daļiņas.

A. Bekerels 1896.g. atklāja urāna radioaktivitāti.

Marija un Pjērs Kirī 1898.g. atklāja poloniju un rādiju. Mūsdienās ir pazīstami ap 40 ķīmisko elementu, kuriem piemīt dabīgā radioaktivitāte. Radioaktivitāti, ko novēro dabā eksistējošiem atomu kodoliem, sauc par dabīgo radioaktivitāti. Kodolu reakcijās radušos kodolu radioaktivitāti sauc par mākslīgo.

Ikvienā kodola radioaktīvās pārvēršanās procesā ir spēkā kodola lādiņa skaitļa, masas skaitļa, impulsa un impulsa momenta nezūdamības likumi.

= Radioaktīvās sabrukšanas likums. Pussabrukšanas periods. =

Radioaktīvā elementa kodolu skaits, kas sabrūk laika intervālā dt ir dN = - λNdt, kur N – vēl nesabrukušo kodolu skaits, λ - radioaktīvās sabrukšanas konstante. Mīnus zīme nozīmē, ka kopīgais nesabrukušo atomu skaits laika gaitā samazinās.

Kodolreakcijas.

Par kodolreakcijām sauc procesus, kuros atomu kodolu un elementārdaļiņu vai kodolu savstarpējās mijiedarbības rezultātā notiek kodolu pārvēršanās.

Kodolreakcijas realizē, apšaudot viena ķīmiskā elementa kodolus ar daļiņām: X + a → Y + b, kur X,Y - attiecīgi mērķkodols un produktkodols, a – bombardējošā daļiņa, b – kodolreakcijā radusies daļiņa.

Nezūdamības likumi kodolreakcijās:

Mērķkodola un bombardējošās daļiņas lādiņu skaitļu (masas skaitļu) summai jābūt vienādai ar produktkodola un radušās daļiņas lādiņu skaitļu (masas skaitļu) summu.

Rezerfords 1919.g. realizē pirmo kodolreakciju.

Kodolreakcijā izdalīto vai absorbēto enerģiju aprēķina, zinot miera masas tām daļiņām, kuras piedalās reakcijā: Q = (m_X + M_a –m_Y – m_b)c² Kodolreakcija ir eksotermiska, ja tajā izdalās enerģija (Q > 0). Kodolreakcija ir endotermiska, ja tajā enerģija tiek absorbēta (Q < 0).

Ir jāsaskata atšķirība starp ķīmiskajām reakcijām un kodolreakcijām:

Ķīmiskā enerģija saistīta ar elektronu saites enerģijas izmaiņām.

Kodolenerģija ir atkarīga no nuklonu saites enerģijas izmaiņām.

Kodolu dalīšanās reakcijas. Ķēdes reakcijas.

O.Hāns un F.Štrāsmanis 1938.g., apstarojot ar neitroniem urānu, pirmo reizi novēro mākslīgi izraisītu kodolu dalīšanās reakciju.

Kodolu dalīšanāsmehānisms.

Kodolā, kas absorbē neitronu un iegūst papildu enerģiju, var sākties atsevišķu nuklonu grupu svārstības, kas izraisa kodola formas maiņu. Nedeformētā kodolā tā virsmas spraiguma spēki kompensē Kulona atgrūšanās spēkus, bet ierosinātā kodolā tā formas deformācija var pārsniegt kritisko robežu, kad Kulona spēki vairs netiek kompensēti. Tad kodola daļas Kulona atgrūšanās spēku dēļ attālinās un izveidojas divi jauni kodoli. Attālumā, kādā atrodas jaunie kodoli tūlīt pēc dalīšanās (> 2,2 10^-15 m), pievilkšanās kodolspēki vairs nedarbojas, bet tik mazos attālumos darbojas lieli Kulona atgrūšanās spēki. Abi dalīšanās kodoli aizlido pretējos virzienos ar lielu kinētisko enerģiju.

Tā kā urānā neitronu skaits ir aptuveni 1,6 reizes lielāks par protonu skaitu, viena kodola dalīšanās laikā rodas 2 vai 3 neitroni ar enerģiju no 0 līdz 10 MeV.

Kodolu dalīšanās ķēdes reakcija.

Kodolu dalīšanās ķēdes reakcijā rodas jauni šādas reakcijas ierosinātāji – neitroni.

Katrs emitētais neitrons zināmu laiku eksistē ārpus kodoliem un vai nu izraisa jaunu kodolu dalīšanos, vai arī nepiedalās reakcijās. Reakcijas attīstību laikā nosaka neitronu pavairošanas koeficients k, kas rāda cik neitronu vidēji rada katrs iepriekšējais neitrons. Lai realizētu vadāmu dalīšanās reakciju, jānodrošina iespēja regulēt k: 1) samazināt, ja reakcijas intensitāte ir par lielu, 2)palielināt, ja reakcijas intensitāte ir par mazu, un 3)saglabāt k = 1 , ja sasniegta vēlamā reakcijas intensitāte.

Neitronu pavairošanas koeficients ir proporcionāls aktīvās zonas izmēriem

Kritisko masu var ievērojami samazināt, aptverot aktīvo zonu ar neitronu atstarotāju. Ja tiek sasniegta kritiskā masa, ķēdes reakcijas intensitāte pieaug ļoti strauji, sprādzienveidā (piem., atombumbā).

=Kodolu sintēzes reakcijas. Kodoltermisko reakciju vadīšanas problēma.=

Tā kā nuklonu īpatnējā saites enerģija vieglajos kodolos pieaug, palielinoties kodolu masas skaitlim, tad ir iespējama kodolenerģijas atbrīvošanās kodolsintēzes reakcijās, kad no vieglo atomu kodoliem veidojas smagāki.

Lai norisinātos kodolsintēzes reakcija, kodoli jāsatuvina, pārvarot Kulona spēkus, līdz attālumiem, kas mazāki par kodolspēku darbības rādiusu. Kodolu termiskās kustības kinētiskā enerģija ir pietiekama to satuvināšanai tikai tad, ja vides temperatūra ir ļoti augsta – T = 10⁸K. Tāpēc kodolsintēzes reakcijas sauc par kodoltermiskajām reakcijām.

Mākslīgas kodoltermiskās reakcijas ir realizētas sprādziena veidā (ūdeņraža bumba), kad nepieciešamo temperatūru nodrošina kodolu dalīšanās ķēdes reakcija (atombumbas sprādziens).

Ārkārtīgi liela praktiska nozīme būtu vadāmai kodoltermiskai reakcijai. Lai to realizētu, ir jāpārvar divas galvenās grūtības: 1) augstās temperatūras sasniegšana (jaudīgu lāzeru starojuma fokusēšana); 2) augstas temperatūras plazmas noturēšana darba tilpumā (spēcīga magnētiskā lauka slazdu radīšana, izmantojot supravadītājus).

Dozimetrija. Radioaktīvā starojuma bioloģiskā iedarbība.

Doza ir fizikāls lielums, kas raksturo radioaktīvā starojuma ietekmi uz apstaroto objektu.

Radioaktīvā starojuma radīto jonizāciju (jonu un elektronu radīšanu) mēra ar ekspozīcijas dozu D_E , kas ir vienāda vielas vienā masas vienībā radīto kopīgo pozitīvo lādiņu q. Ekspozīcijas doza ir 1 R, ja 1 cm³ gaisa rodas 2,08.10⁹ jonu pāru.

Rentgens ir ļoti liela dozas mērvienība. Dabīgā radioaktīvā starojuma fona novērtēšanai lieto μR.

Absorbētā doza ir vienāda ar radioaktīvā starojuma enerģiju, ko absorbē vielas viena masas vienība: