Явление радиоактивности и атомное ядро

ЦЕНТРОСОЮЗ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ КООПЕРАЦИИ 
 

Кафедра  естественных  наук 
 
 

Реферат по дисциплине Концепция современного естествознания

на тему: 

«Явление  радиоактивности и атомное ядро» 
 
 
 
 
 

Факультет:

Группа: К09-114Д

Студентка: Рыженко  Н.Г.

Проверил:

Отметка о защите: 
 
 

Новосибирск, 2010

     Содержание:

1) Строение атомного ядра…………………………………………………..…..3

2)  Радиоактивный распад…………………………………………………...……3

3) Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации…………...……5

4) Ядерная энергия…………………..…………………………………...………6

5) Термоядерная  реакция……………………………………………………...….8

5) Дефект массы…………………………………………………………….……10

6) Атомная энергетика  – перспективы и проблемы…………………………...11

Список литературы…………………………………………………………...….15 

     Атом  как целое.

      Ядро представляет собой центральную  часть атома . В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.[2]

Рис. 1 Структура  атома

     Радиоактивный распад

     Радиоакти́вность (от лат. radio — «излучаю», radius — «луч»  и activus — «действенный») — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Соответствующее явление называется радиоакти́вным распа́дом. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

     Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и  многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

     Естественная  радиоактивность  — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

     Искусственная радиоактивность  — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

     Энергетические  спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

     Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время  известно, что существуют типы бета-распада  без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием  нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов  называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

     В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады  с эмиссией нейтрона, протона (а также  двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β + -распад), а также двойной бета-распад (и  его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

     Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с  вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством  альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

     Образовавшееся  в результате радиоактивного распада  дочернее ядро иногда оказывается также  радиоактивным и через некоторое  время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.[1]

     Виды  радиоактивных излучений  и методы их регистрации

   Радиоактивность  — это испускание ядрами некоторых  элементов различных частиц, сопровождающееся  переходом ядра в другое состояние  и изменением его параметров. Явление радиоактивности было  открыто опытным путем французским  ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель  заметил, что соли урана засвечивают  завернутую во много слоев  фотобумагу невидимым проникающим  излучением.

         Английский физик Э. Резерфорд  исследовал радиоактивное излучение  в электрических и магнитных  полях и открыл три составляющие  этого излучения, которые были  названы α-, β-, γ-излучением (рис.2).

   

Рис. 2  α-,β-,γ-излучения

   

       α-Распад представляет собой излучение α-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.

       β-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.

  γ-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при γ-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией.

       Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

  Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества: газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления.     Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают сильной химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти. 

     Ядерная энергия

     Ядерная энергия — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях (ранее использовался термин Атомная энергия).

     Энергия связи.

  Зависимость удельной энергии связи (приходящейся на один нуклон) от числа нуклонов в ядре

     Энергия, которая требуется, чтобы разделить  ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для  разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического  элемента. Удельная энергия связи  нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона  меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что  их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые даёт ещё  больший энергетический выигрыш  в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития 

1D²+1T³→2He4+0n1 

сопровождается  выделением энергии 17,6 МэВ, т.е. 3,5 МэВ  на нуклон.

     Высвобождение ядерной энергии

     Известны  экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.

     Обычно, для получения ядерной энергии, используют цепную ядерную реакцию  деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в  них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления  обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

     Другим  способом высвобождения ядерной  энергии является термоядерный синтез. При этом, два ядра лёгких элементов  соединяются в одно тяжёлое. Такие  процессы происходят на Солнце.

     Многие  типы атомных ядер являются неустойчивыми. С течением времени часть таких  ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным  распадом.

     Применение  ядерной энергии

     Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные  ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и  в контролируемых условиях, по причине  опасности радиоактивного заражения  в случае аварии. На атомных электрических  станциях ядерная энергия используется для получения электроэнергии и  для отопления. Ядерные силовые  установки решили проблему судов  с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные  лодки, атомные авианосцы). В условиях дефицита энергетических ресурсов, ядерная  энергетика считается наиболее перспективной  в ближайшие десятилетия.

     Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе. [5]

     Термоядерная  реакция

     Посмотрев на таблицу Менделеева, мы видим, что  она начинается водородом, а кончается  ураном. Начинается с легких элементов, кончается тяжелыми.

     Есть  еще другой способ освобождения и  использования внутриядерной энергии. Этот путь основан на преобразовании ядер легких элементов, расположенных  в начале таблицы Менделеева. Только энергия, выделяющаяся при этих преобразованиях, называется не ядерной, а термоядерной.

     Приставка «термо» определяет способ освобождения этой энергии. «Термос» по-гречески означает тепло. Термоядерная энергия — это  энергия, получаемая при помощи тепла.

     Оказывается, если два ядра атомов легких элементов  сблизить между собой вплотную, то между ними произойдет ядерная реакция. В результате этой реакции из двух легких ядер образуется более тяжелое  ядро и выделяется энергия; причем этой энергии на единицу массы выделяется значительно больше, чем при делении  тяжелых ядер. Такая ядерная реакция  называется реакцией синтеза (т.е. слияния), а энергия — энергией синтеза  ядер. Это и есть термоядерная энергия.

     Для выделения заметной энергии нужно, чтобы термоядерная реакция происходила  во всем объеме вещества. И чтоб разогнать  все ядра вещества надо воспользоваться  нагреванием. Ведь при нагревании тела скорость движения атомов (следовательно, и ядер) увеличивается. Значит, если нагреть вещество, состоящее из ядер легких элементов, до достаточно высокой  температуры, то начнется термоядерная реакция. Энергии, выделяющейся при  этой реакции, хватит и для поддержания  реакции, и для полезного использования. А энергия выделится огромная. Если при делении одного грамма урана  выделяется энергия, эквивалентная  энергии, получаемой при сгорании двух с половиной тонн угля, то при  синтезе одного грамма легких ядер выделится энергия, эквивалентная  энергии уже десятков тонн каменного  угля.

     Чтобы реакция пошла достаточно интенсивно нужны десятки миллионов градусов, а достигнутые в технике температуры  очень малы. Они не превышают пяти-шести  тысяч градусов.

     Но  в 1950 г. двое советских ученых — академики  Сахаров и Тамм — впервые предложили один из способов получения сверхвысоких температур в земных условиях. Их идея заключалась в том, чтобы через  плазму пропускать электрический ток  очень большой силы — в десятки  тысяч ампер. Пропускать такой ток  можно только импульсами длительностью  в доли секунды. Ведь никакие проводники не выдержат такого тока, они сразу расплавятся. Но в момент пропускания тока под действием возникающих электродинамических сил плазма сожмется в тонкий шнур, имеющий огромную температуру. Таким образом, если плазма получена из атомов легких элементов, то можно ожидать возникновения термоядерной реакции при пропускании через нее электрического тока.