Частица может отскочить от ядра при упругом ударе

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения электрического заря­да, энергии, импульса.

Примеры ядерных реакций:

N + α = О + р - запись реакции комментируют учащиеся.

Ве + Н = В  + n.

Любая ядерная реакция – это разрушение одних ядер и образование других ядер. При разрушении ядра энергия затрачивается, при образовании нового ядра энергия выделяется. В общем случае эти энергии не равны друг другу, поэтому я дерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Эта энергия в 10⁶ раз больше, чем при химической реакции!

Расчет энерговыделения на примере ядерной реакции:

Н + Н→ Не + n + 17,59 МэВ.

Такие ядерные реакции называются реакциями синтеза!

Ядерные реакции деления на примере реакции:

+200 МэВ.

Реакции распада на примере реакции: Ве→ 2· Не.

Сокращенная запись уравнения ядерной реакции. Например, реакцию n + N → C + р записывают в виде: N (n,p) C.

IV. Задачи:

Одной из наиболее известных реакций термоядерного синтеза является реакция

слияния дейтерия и трития:   Н + Н → Не + n. Какая энергия выделяется  в этой реакции?  Энергия связи дейтерия  2,228 МэВ, трития - 8,483 МэВ, гелия 28,294 МэВ.

Решение: В данной  реакции происходит разделение ядер дейтерия и трития на составляющие их частицы, на что затрачивается энергия их связи, после чего образуется ядро гелия и теперь энергия выделяется. Тогда энергетический выход данной ядерной реакции Е = 28,294 МэВ – (2,228 МэВ + 8,483 МэВ) = 17,583 МэВ.

Образовавшееся в результате ядерной реакции неподвижное ядро испускает - квант с энергией 9,4 кэВ. Определите кинетическую энергию ядра после испускания - кванта.

В реакции N (α,р) О налетающая α-частица имеет кинетическую энергию 7,68 МэВ. Может ли происходить такая реакция? Если да, то чему равна полная кинетическая энергия продуктов реакции?

 

"Установленное Эйнштейном соотношение является основанием для даль­нейших, значительно более важных выводов. Радиоактивная отслойка является с этой точки зрения одной из возможностей получения из материи огромных запасов энергии, техническое использование таких запасов энергии в принципе не представляется невыполнимым, и совсем недавно Резерфорд получил, по-видимому, подобные количества энергии, - правда, в микроскопическом масштабе, когда ему удалось разложить азот путем радиоактивного расщепления. Но не нужно предаваться иллюзии, будто техническая добыча указанной здесь энергии является вопросом непосредственного будущего, и что этим будет достигнуто обесценивание угля; с другой стороны, нельзя возражать и против того, что тут раскрывается одна из серьезнейших технических проблем"

1918 г, В. Нернст

V. §§ 97 Упр. 13 № б

 

"Прибавь еще один оттенок к радуге..."

                    Шекспир

Урок 24.          РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

ЦЕЛЬ УРОКА: Научить учеников рассчитывать энергетический выход ядерной реакции.

ТИП УРОКА: решение задач.

ОБОРУДОВАНИЕ: справочник, микрокалькулятор.

 

ПЛАН УРОКА:         

Вступительная часть                 1-2 мин

Опрос                                            10  мин

Решение задач                            30 мин

Задание на дом                            2-3 мин

 

II. Опрос фундаментальный: 1. Ядерные реакции.

Задачи:

Какую группу нуклонов нужно отделить от Li, чтобы полу­чить Не? Какую энергию нужно затратить, чтобы отделить эти нуклоны как единое целое? Какова энергия связи - частицы в ядре Li?

Определить энергию реакции Li + p → 2· He, если известно, что энергия связи на один нуклон в ядрах Li и Не равны соответственно  5,60 и 7,06 МэВ.

  Решение: Здесь, как и в предыдущей задаче, под действием протона ядро лития разрушается, на что затрачивается энергия связи, но при этом возникают два ядра гелия и энергия выделяется.

Е = 2(4∙7,06 МэВ/нуклон) - 7∙5,60 МэВ/нуклон = 17,28 МэВ.            

3.  При захвате нейтрона ядром лития происходит ядерная реакция Li + n → H + He, в которой выделяется 4,8 МэВ энергии. Найдите распределение энергии между продуктами реакции. Считайте кинетическую энергию исходных частиц пренебрежимо малой.

 

III. Задачи:

В ядерной реакции Li + p → Ве + n протоны нале­тают на покоящиеся ядра лития. Если энергия налетающих протонов равна Е = 1,92 МэВ, то нейтроны, образующиеся в реакции, покоятся. Какая энергия поглощается в данной реакции? При какой минимальной энергии налетающих протонов эта реакция вообще могла бы идти? (Е_п= (6/7) Е, Е'= 48/49 Е).

Решение: Это первый пример ядерной реакции, в которой энергия  поглощается. В лабораторной системе отсчета мы имеем движущийся со скоростью  протон и покоящееся ядро лития. После того, как произойдет ядерная реакция, нейтрон будет неподвижен, а ядро бериллия приобретет некоторую скорость . На основе закона сохранения импульса получим:  Зная массовое число каждой частицы, определим . Тогда в лабораторной системе отсчета , откуда . Теперь выясним, при какой минимальной энергии налетающих протонов  эта реакция вообще могла бы идти. В системе отсчета центра масс системы из протона и ядра лития, который движется вправо с некоторой скоростью , их импульс , откуда . Если протон обладает минимальной энергией , то в данной системе отсчета вся она поглощается и, возникшие в реакции частицы не разлетаются: . Учтем, что , в результате получим  или , откуда .

 Может ли произойти реакция С (р, n) N при бомбар­дировке ядра С протонами с энергией 2 МэВ? (m_c  = 13,003355 а.е.м., m_N  = 13,005739 а.е.м.)

     

Энергию связи атомного ядра можно рассчитать, мысленно проведя ядерную реакцию деления ядра на протоны и нейтроны!

IV. §§ 96, 97

"...я показал, что соли урана испускают лучи, о существовании которых не было до этого известно, и что эти лучи обладают замечательными свойствами, часть которых сходна со свойствами, изученными Рентгеном".

                                                                                              А. Беккерель

Урок 25.                       ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с явлением естественной радиоактивности. Расширить их представления о свойствах атомного ядра.

 

ТИП УРОКА: урок-лекция.

ОБОРУДОВАНИЕ: кинофрагмент "Свойства радиоактивных излучений".

ПЛАН УРОКА:        

Вступительная часть         1-2 мин

Опрос                                         5 мин

Лекция                                25 мин

Закрепление                         10 мин

Задание на дом                   2-3 мин

II.

Задача:

Если направить поток протонов на кусок льда из тяжелой воды D₂O, то при минимальной кинетической энергии протонов 1,4 МэВ происходит ядерная реакция с образованием ядер Не. Какую минимальную энергию надо сообщить ядрам дейтерия, чтобы при их попадании на кусок льда из обычной воды произошла та же ядерная реакция?

Вопросы:

Каков состав ядра атома тория; радона?

Какова энергия связи ядра атома тория (использовать график зависимос­ти удельной энергии связи от массового числа)?

Почему выделение внутриядерной энергии возможно как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при синтезе легких ядер?

Ядро некоторого элемента при бомбардировке нейтронами поглощает нейтрон, после чего из него вылетает - частица. Как рассчитать кинетическую энергию продуктов этой ядерной реакции?

III. Открытие Рентгена (рентгеновские лучи). Работы А. Беккереля по фотолюминесценции. Соли урана. Открытие излучения солей урана (1896 г.). А. Беккерель – первая жертва радиации!

Радиоактивность - самопроизвольное излучение солей урана.

Классическая физика объяснить явление радиоактивности не смогла. Работы супругов Кюри. Выделение радия и полония из урановой руды (за 4 года переработав тонны руды химическим способом,  выделили 1 г радия).  Вещества, испускающие открытое Беккерелем излучение, были названы радиоактивными.

"Поэзия -

                          та же добыча радия.

В грамм добыча,

                                    в год труды

Изводишь

                           единого слова ради

Тысячи тонн

                                      словесной руды".

                         В. Маяковский

Опыт Резерфорда. Три компоненты (α  β и γ) радиоактивного излуче­ния; их свойства. Справочник по физике и технике, А.С. Енохович, ст. 208, Табл. 260.

α - компонента:

     Скорость ~ 20000 км/с; Масса ~ 4 а.е.м.;  Заряд 2е.                                                                     "Испарение" α-частиц (устойчивых комбинаций) из ядра атома происходит редко, при достаточной энергии  α-частиц.  Туннельный эффект (брошенный в крепост­ную стену мяч, оказывается  в крепости). Для - частицы с кинетической энергией Е_к, первоначально находившейся в тяжелом атомном ядре с Z > 82 (область I на диаграмме), потенциальная энергия её взаимодействия с оставшимся ядром изображена на рисунке. Аналогия со сжатой пружиной (ядерные силы) и растянутой пружиной (кулоновские силы). При распаде растянутая пружина рвется (частица приобретает кинетическую энергию), а сжатая пружина сжимается ещё сильнее (увеличивается удельная энергия связи).

β^- – компонента: Скорость ~ 3·10⁸ м/с, масса 9,1·10^-31 кг, заряд –е.     n → p + е^- + .

β-распад можно интерпретировать как уничтожение одних частиц в ядре атома и рождение других.

Поток нейтрино у поверхности Земли составляет 6,6·10¹⁴ м^-2·с^-1. Число нейтрино в теле человека в любой момент времени 1,8·10⁵. Число нейтрино, испущенных при взрыве сверхновой 1,8·10⁵⁷.

"Частички - нейтрино                                                               Барьеров не зная,

           капризные дети,                                                                                    преград не имея.

Чему вы подвластны,                                                                 Пройдете любого,

         чего вы хотите?                                                                           не дрогнув, злодеи.

Заряда не нужно.                                                                              Подобно ножам

     не нужно вам массы,                                               гильотины небесной.

Сквозь нашу планету                                                                 Вы головы наши

         идете бесстрастно.                                                                    сечете небрежно.

Что газ  вам тончайший,                                                          Вы сверху

    что толстые стены -                                           приходите днем

Летите беспечно                                                                        И снизу

     в просторах Вселенной.                                               крадетесь ночью,

Как света фотоны                                                                     "Как мило!" -

    проходят сквозь стекла,                                             воскликнет иной.

Так вы - через сталь,                                                                  По мне же -

     через медь, через холку                                                    повадки разбойничьи".

Коня, горделиво

       застывшего в стойле.                                                              Джон Апдайк

γ-компонента. Демонстрация кододиапозитива (уровни энергии ядра).

Вывод: γ - лучи, электромагнитные волны с длиной волны меньше 10^-11м.

Все радиоактивные излучения обладают:

химическим (биологическим) действием;

вызывают ионизацию газов;

поглощаются веществом;

вызывают флуоресцентное свечение ряда веществ.

Превращения ядер химических элементов в результате распада. Выделение энергии (1 г радия выделял 102 Дж тепла в час). Опыты Резерфорда-Содди (уменьшение радиоактивности изотопа тория  при обдува­нии образца). Внутриядерные превращения радиоактивных элементов. Правило смещения:

Альфа- распад:

 

Электронный бета-распад:            

 

Позитронный бета-распад:  

Гамма-распад: