Тақырып 23

Атом ядросының физикасы

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Ядро құрамы, изотоптарЯдролық күштер, масса ақауы, байланыс энергиясыРадиоактивтілік: α-, β-, γ-сәулеленуРадиоактивті ыдырау заңы, жартылай ыдырау периодыЯдролық реакциялар, сақталу заңдарыЯдролардың бөлінуі, тізбекті реакция, ядролық реакторТермоядролық синтезСәулеленудің биологиялық әсері, дозиметрия, элементар бөлшектер

Бір минутта мәні

Атом ядросы протондар мен нейтрондардан тұрады, оларды қуатты ядролық күштер ұстап тұрады. Ядро массасы оның нуклондары массаларының қосындысынан аз; бұл масса ақауы байланыс энергиясына сәйкес келеді. Орнықсыз ядролар өздігінен ыдырап, α-, β- және γ-сәулелер шығарады. Ауыр ядролардың бөлінуі атом электр станцияларына, жеңіл ядролардың синтезі Күнге энергия береді. Қазақстан — уран өндіруден әлемдік көшбасшы.

Басты формулалар

A=Z+NA=Z+N
Массалық сан (Z — протондар, N — нейтрондар)
Δm=Zmp+Nmn−Mя\Delta m=Zm_p+Nm_n-M_{\text{я}}
Масса ақауы
Eб=Δm c2E_{\text{б}}=\Delta m\,c^2, 11 м.а.б. →931,5\to931{,}5 МэВ
Байланыс энергиясы
ZAX→Z−2A−4Y+24He{}^A_ZX\to{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^4_2\text{He}
α-ыдырау
ZAX→Z+1AY+−1  0e+ν~{}^A_ZX\to{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{\;0}_{-1}e+\tilde\nu
β⁻-ыдырау
N=N0⋅2−t/TN=N_0\cdot2^{-t/T}
Радиоактивті ыдырау заңы
D=EmD=\dfrac{E}{m} (Гр), H=wDH=wD (Зв)
Жұтылған және эквивалентті дозалар

Ұғымдар мен терминдер

Нуклондар
Протондар мен нейтрондар — ядро бөлшектері
Изотоптар
Z-і бірдей, нейтрон саны әртүрлі ядролар: ¹H, ²H (дейтерий), ³H (тритий); ²³⁵U және ²³⁸U
Ядролық күштер
Нуклондардың тартылыс күштері; ең күшті, аз қашықтықта әсер етеді (≈ 10⁻¹⁵ м), зарядқа тәуелсіз
Радиоактивтілік
Ядролардың бөлшектер шығара отырып өздігінен түрленуі (А. Беккерель, 1896; М. және П. Кюри)
Жартылай ыдырау периоды
Ядролардың жартысы ыдырайтын уақыт; секунд үлестерінен миллиардтаған жылға дейін
Кризистік масса
Тізбекті реакция жүретін бөлінетін заттың ең аз массасы
Зиверт
Сәулеленудің биологиялық әсерін ескеретін эквивалентті доза бірлігі

Тақырыпты талдау

Ядро құрамы

Протонды Резерфорд (1919), нейтронды Чедвик (1932) ашты. Протон оң зарядталған, нейтрон бейтарап, массалары бірдей дерлік (≈ 1 м.а.б.).

Протондар саны Z — элементтің реттік нөмірі және ядро заряды (e бірлігімен); массалық сан A — нуклондардың жалпы саны. ²³⁸₉₂U ядросында 92 протон және 146 нейтрон бар.

Байланыс энергиясы

Ядроны нуклондарға бөлу үшін байланыс энергиясын жұмсау керек; ядро түзілгенде ол бөлінеді.

Меншікті байланыс энергиясы (бір нуклонға) орта массалы ядроларда ең үлкен (темір, ≈ 8,8 МэВ). Сондықтан энергия ауыр ядролар бөлінгенде де, жеңіл ядролар синтезделгенде де бөлінеді.

Радиоактивті сәулелер

α-сәулелер — гелий ядролары; қатты иондайды, бірақ қағаз парағы мен тері ұстап қалады; организм ішіне түскенде қауіпті.

β-сәулелер — электрондар (немесе позитрондар); бірнеше миллиметр алюминиймен тоқтатылады. Нейтрон протонға айналғанда пайда болады.

γ-сәулелер — қысқа толқынды ЭМ сәулелену; өтімділігі ең жоғары, қалың қорғасын мен бетон қабатымен әлсірейді. Магнит өрісінде α мен β әртүрлі жаққа ауытқиды, γ — ауытқымайды.

Ығысу ережелері: α-ыдырауда элемент кестенің басына қарай 2 ұяшыққа, β⁻-ыдырауда соңына қарай 1 ұяшыққа ығысады.

Радиоактивті ыдырау заңы

Жеке ядро үшін ыдырау кездейсоқ, бірақ ядролар көп болғанда статистикалық заңға бағынады: әр жартылай ыдырау периоды сайын ядролар саны екі есе кемиді.

3 периодтан кейін 1/8, 10 периодтан кейін шамамен 1/1000 қалады. Радиокөміртек әдісі (¹⁴C, T ≈ 5730 жыл) органикалық олжалардың жасын, уран-қорғасын әдісі тау жыныстарының жасын анықтайды.

Ядролық реакциялар

Алғашқы жасанды реакция (Резерфорд, 1919): ¹⁴N + ⁴He → ¹⁷O + ¹H. Реакцияларда заряд (Z қосындысы) және нуклондар саны (A қосындысы), энергия мен импульс сақталады.

Уран-235 нейтронмен бөлінгенде екі жарқыншақ, 2–3 нейтрон және ≈ 200 МэВ бөлінеді. Ұшып шыққан нейтрондар жаңа ядроларды бөледі — тізбекті реакция.

Ядролық реактор: отын (уран), баяулатқыш (су, графит), нейтрондарды жұтатын реттеуші стерженьдер (бор, кадмий), жылу тасымалдағыш, қорғаныс. Нейтрондардың көбею коэффициенті k = 1 — басқарылатын реакция; k > 1 — жарылыс (атом бомбасы).

Қазақстан әлемдік уран өндірісінің шамамен 40 %-ын қамтамасыз етеді; Ақтауда БН-350 шапшаң нейтронды реакторы жұмыс істеген.

Термоядролық синтез

Жеңіл ядролардың қосылуы (²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 МэВ) ядролар тебілуді жеңуі үшін 10⁷–10⁸ K шамасындағы температураны қажет етеді.

Бұл — Күн мен жұлдыздардың энергия көзі. Басқарылатын синтезді токамактарда зерттейді (ITER; Курчатовта — қазақстандық ҚТМ токамагы). Басқарылмайтын синтез — сутек бомбасы.

Биологиялық әсер және қорғаныс

Сәулелену жасушалардың молекулаларын иондап, ДНҚ-ны бұзады. Табиғи фон ≈ жылына 2–3 мЗв. Қорғаныс: уақыт, қашықтық, экрандау, дозиметриялық бақылау.

Семей полигоны (1949–1989): 450-ден астам ядролық сынақ адамдар мен табиғатқа орасан зор зиян келтірді. Полигон 1991 жылы 29 тамызда жабылды; БҰҰ бұл күнді Ядролық сынақтарға қарсы іс-қимылдың халықаралық күні деп жариялады.

Элементар бөлшектер: электрон, протон, нейтрон, нейтрино, кварктар (протон = uud, нейтрон = udd), антибөлшектер; бөлшек пен антибөлшектің аннигиляциясы.

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 1²²⁶₈₈Ra ядросында қанша протон мен нейтрон бар? Оның α-ыдырауынан қандай ядро шығады?
  1. Z = 88, N = 226 − 88 = 138.
  2. 88226Ra→86222Rn+24He{}^{226}_{88}\text{Ra}\to{}^{222}_{86}\text{Rn}+{}^4_2\text{He}.
Жауабы 88 p, 138 n; радон-222
Есеп 2Жартылай ыдырау периоды 8 тәулік. 24 тәуліктен кейін ядролардың қандай үлесі қалады?
  1. t/T=3t/T=3, N/N0=2−3=1/8N/N_0=2^{-3}=1/8.
Жауабы 1/8 (12,5 %)
Есеп 3Масса ақауы 0,0304 м.а.б. болса, гелий-4 ядросының байланыс энергиясын табыңыз.
  1. E=0,0304⋅931,5≈28,3E=0{,}0304\cdot931{,}5\approx28{,}3 МэВ.
Жауабы ≈ 28,3 МэВ (бір нуклонға ≈ 7,1 МэВ)
Есеп 4Реакцияны толықтырыңыз: ²⁷₁₃Al + ¹₀n → ²⁴₁₁Na + ?
  1. A қосындысы: 27 + 1 = 24 + A → A = 4.
  2. Z қосындысы: 13 + 0 = 11 + Z → Z = 2: бұл ⁴₂He.
Жауабы α-бөлшек ⁴₂He

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • Ядро массасы нуклондар массаларының қосындысынан аз (масса ақауы).
  • β⁻-ыдырауда заряд 1-ге артады, массалық сан өзгермейді.
  • Екі жартылай ыдырау периодында ядролардың бәрі емес, 3/4-і ыдырайды.
  • γ-сәулелер электр өрісімен де, магнит өрісімен де ауытқымайды.
  • Реттеуші стерженьдер нейтрондарды жұтады, баяулатқыш оларды тек баяулатады.

Есте сақта

A = Z + N. α: A − 4, Z − 2; β⁻: Z + 1. N = N₀·2^(−t/T). E_б = Δm c², 1 м.а.б. → 931,5 МэВ. Бөліну — АЭС, синтез — Күн.

Өзіңді тексер

1. ²³⁵₉₂U ядросында қанша нейтрон бар?
  1. 92
  2. 143
  3. 235
  4. 327
Жауабын көрсету

143 235 − 92.

2. Қай сәулеленудің өтімділік қабілеті ең жоғары?
  1. α
  2. β
  3. γ
  4. Бәрі бірдей
Жауабын көрсету

γ Қорғасын немесе бетон қажет.

3. 3 жартылай ыдырау периодынан кейін қалады:
  1. 1/3
  2. 1/6
  3. 1/8
  4. 1/9
Жауабын көрсету

1/8 (1/2)³.

4. Реакторда нейтрондарды не баяулатады?
  1. Кадмий
  2. Графит немесе су
  3. Қорғасын
  4. Уран-238
Жауабын көрсету

Графит немесе су Кадмий мен бор — жұтқыштар.

5. Семей полигоны қашан жабылды?
  1. 1949
  2. 1989
  3. 1991
  4. 1997
Жауабын көрсету

1991 1991 жылғы 29 тамыз.

Байланысты тақырыптар

22. Атомдық және кванттық физика21. Салыстырмалылық теориясының элементтері25. Космология

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика