2-й семестр

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 13/90

Тема. Ядерные реакции

Цель урока: ознакомить учащихся с возможностью преобразования ядер химических элементов.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Ядерные реакции

1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер. Во время бомбардировки ядер азота -частицами, которые выпускает радуйся, ядро Азота превращалось в (нестабильное) ядро изотопа Кислорода и выпускался протон:

Ø Изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или другими частицами называются ядерными реакциями.

Ядро представляет собой «густое образования», и когда в него попадает частица, то она не взаимодействует с каким-то одним нуклоном. Проникая в ядро, частица «застревает» в нем, причем энергия частицы передается не одному, а многим нуклонам.

Захват ядром частицы, попавшей в него, приводит к образованию промежуточного, так называемого составного ядра. В этом заключается первый этап ядерной реакции.

Второй этап ядерной реакции - превращение составного ядра происходит независимо от захвата падающей частицы. Оба этапа изображены схеме:

где A1Z1X - исходное ядро-мишень; a - налітаюча частица; A2Z2Y - составное ядро; A3Z3C - ядро, что является продуктом ядерной реакции; b - частицы, вылетающей из ядра в результате реакции. Возможно протекание реакции в один этап.

Чтобы могла произойти ядерная реакция, необходимо, чтобы ядро и частица (или два ядра) сблизились на очень малое расстояние - такое, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, характеризуются малым радиусом действия.

Если обе начальные частицы положительно заряжены, то в случае их сближения между ними возникают большие электростатические силы отталкивания, для преодоления которых необходима большая начальная энергия частиц.

Открытие нейтрона в корне изменило представление об условиях протекания ядерных реакций - оказалось, что для этого не обязательно нужны частицы с большими кинетическими энергиями. Поскольку нейтрон не имеет электрический заряд, он не отталкивается от ядра и беспрепятственно проникает в него, вызывая ядерную реакцию.

Во время ядерных реакций обязательно выполняются различные законы сохранения (например, закон сохранения энергии, импульса, заряда, массы и др.).

Все ядерные реакции можно классифицировать:

• по виду взаимодействия:

а) под действием заряженных частиц;

б) под действием нейтронов.

• по энергетическим выходом:

а) с выделением энергии;

б) с поглощением энергии.

2. Энергетический выход ядерных реакций

Ядерные реакции могут происходить как с поглощением энергии, так и с выделением энергии. Тип реакции легко определить по массам ядер или частиц, вступающих в реакцию и являются продуктами этой реакции. Если суммарная масса ядер и частиц уменьшается после реакции на Δm, то энергия покоя уменьшается на ΔE = Δmc2. Согласно закону сохранения энергии именно такая энергия должна выделиться в результате ядерной реакции. В таком случае говорят о энергетический выход ΔE ядерной реакции.

Если суммарная масса ядер и частиц увеличивается после реакции на Δm, то энергия покоя увеличивается на ΔE = Δmc2, то есть соответствующая энергия при такой реакции поглощается. Если не учитывать энергию γ-квантов, то кинетическая энергия продуктов реакции должна быть на AE меньше кинетической энергии ядер и частиц, вступивших в реакцию.

Энергетический выход реакции можно определить и по разности суммарной энергии связи ядер, образующихся и исходных.

Энергия ядерной реакции:

где - сумма масс частиц, вступающих в ядерную реакцию; - сумма масс частиц, образующихся в а. е. м.

Если Q > 0 - реакция называется екзоенергетичною, потому что идет с выделением энергии.

Если Q 0 - реакция называется ендоенергетичною и для его возбуждения необходимо затратить энергию (например, ускорить частицы, то есть передать им достаточную кинетическую энергию).

Согласно закона сохранения энергии «поглощение» и «выделение» энергии следует воспринимать только в том смысле, что во время ядерных реакций происходит превращение одного вида энергии в другой: в случае поглощения энергии кинетическая энергия исходных частиц превращается во внутреннюю энергию ядра, а в случае выделения энергии начальная внутренняя энергия ядра частично превращается в кинетическую энергию частиц, образующихся.

Химические реакции могут происходить с поглощением и выделением энергии (например, горения). Однако сравнение масштабов выделение энергии при ядерных и химических реакций дает такой результат: во время полного деления ядер одного грамма урана выделяется столько же энергии, сколько при сгорании трех тонн угля.

3. Термоядерная реакция

Ядерная энергия высвобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Так, например, масса покоя ядра Гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого Водорода, на которые можно разделить ядро Гелия.

Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается, следовательно, должна выделяться значительная энергия. Но для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростей частиц, сталкивающихся. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температур. Поэтому они называются термоядерными.

Ø Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Необходимые условия для синтеза ядер Гелия из протонов есть в недрах зрение. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществляется во время проведения экспериментальных термоядерных взрывов.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие законы сохранения выполняются во время ядерных реакций?

2. Почему во время реакций деления тяжелых ядер выделяется энергия?

3. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными участками для бомбардировки атомных ядер?

4. Почему во время деления ядер Урана выделяется энергия?

Второй уровень

1. В чем главное отличие ядерных реакций на нейтронах от ядерных реакций, вызванных заряженными частицами?

2. Сгорает кусок бумаги. Есть горение ядерной реакцией?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Произошел самопроизвольный распад ядра. Выделилась ли поглинулася энергия во время этого распада? Ответ обоснуйте. Решения. Выделилась. В результате самопроизвольного распада ядро переходит в состояние с меньшей энергией - в более устойчивое состояние.

2. Для чего нужны в ядерных реакциях ускорители?

2). Учимся решать задачи

1. Напишите недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях:

2. Определите энергию, которая выделяется во время деления 4,7 г чистого Урана-235. Считайте, что во время каждого деления ядра Урана выделяется энергия 200 Мэв. Определите массу бензина, что во время сгорания выделяет такую же энергию. Удельная теплота сгорания бензина 44 МДж/кг.

3. Ядро Урана 292U поглощает один нейтрон и делится на два осколка и четыре нейтроны. Один из осколков - ядро 13755Cs. Ядром какого изотопа является второй осколок?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или другими частицами называются ядерными реакциями.

• Энергетическим выходом ядерной реакции называют разницу энергии покоя частиц до и после реакции.

• Если Q > 0 - реакция называется екзоенергетичною, потому что идет с выделением энергии.

• Если Q 0 - реакция называется ендоенергетичною и для его возбуждения необходимо затратить энергию.

• Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 56 (п. 4, 5); подр-2: § 29 (п. 1, 2).

2. Сб.:

Рів1 № 17.32; 17.33; 17.34; 17.35.

Рів2 № 17.36; 17.37; 17.61; 17.62.

Рів3 № 17.63, 17.64; 17.65; 17.66.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 15.

ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 14 «ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДЕР. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

Задание 1 (1,5 балла)

В результате попадания нейтрона в ядро Алюминия 2713Al образуется -частица и ядро некоторого элемента.

А -частица представляет собой ядро атома тяжелого Водорода.

Бы Атомный номер ядра, образовавшегося, больше 12.

В Уравнение реакции имеет вид

Г Уравнение реакции имеет вид

Задание 2 (2,5 балла)

Ядра трития 31Н за очень высокой температуры вступают в ядерную реакцию синтеза, в результате которой образуется новое ядро и два нейтроны.

А Уравнение реакции имеет вид

Бы Уравнение реакции имеет вид

В результате реакции суммарная масса покоя частиц увеличивается.

Г В результате реакции образуется два протона.

Задание 3 (3 балла)

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическая пара). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

А Реакции синтеза.

Бы Реакции деления.

В Управляемые цепные ядерные реакции.

Г Термоядерные реакции.

1 Реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

2 Расщепление ядра на менее массивные ядра.

3 Образование ядра из менее массивных ядер.

4 Реакции, в которых число ядер, которые делятся, может увеличиваться со временем.

5 Реакции, проходят стационарно, в которых число ядер, которые делятся, остается постоянным.

Задание 4 (5 баллов)

Пользуясь справочными таблицами, вычислите энергию связи ядра Углерода 136С.