Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции

План ответа

1. Открытие нейтрона. 2. Состав ядра атома. 3. Изотопы. 4. Дефект массы. 5. Энергия связи атом­ного ядра. 6. Ядерные реакции. 7. Цепная ядерная реакция. 8. Термоядерные реакции.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвалинейтрона­ми. Обозначается нейтрон п. После открытия ней­трона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома лю­бого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Об­щее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с но­мером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. На­пример, ядро атома кислорода 168O состоит из 8 про­тонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома 23592U со­стоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называютсяизотопами. Ядра изото-пов отличаются числом нейтронов. Например, водо­род имеет три изотопа: протий — ядро состоит из од­ного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нукло­нов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, су­ществует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемаядефектом массы. М = Μя -(Mp + Μn).

Так как между массой и энергией существует связьЕ =mc2, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на­зываетсяэнергией связи атомного ядра.Есв = Мс2.

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.

Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимо­действии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций вы­полняются законы сохранения электрических заря­дов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чи­сел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления — это ядерная ре­акция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходи­мым условием для развития цепной реакции деления является требование k> 1, где k -— коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа ней­тронов в данном поколении к их числу в пре­дыдущем поколении. Способностью к цепной ядер­ной реакции обладает изотоп урана 235U. При нали­чии определенных критических параметров (крити­ческая масса — 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении пер­вого ядра попадают в три соседних, ядра и т. д. Про­цесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправ­ляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цеп­ной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руковод­ством И. В. Курчатова.

Термоядерные реакции — это реакции синте­за легких ядер, происходящие при высокой темпера­туре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в нед­рах звезд. На Земле термоядерная реакция осущест­влена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

2 Задача

Газ находится в сосуде под давлением 2.5 ×104 Па. При сообщении газу 1,25 × 105 Дж теплоты он изобарно расширился , и его объем увеличился на 2 м3. На сколько изменилась его внутренняя энергия?

Дано: р. = 2.5 ×104 Па.=const; Q= 1,25 × 105 Дж; ∆V = 2м3 Решение: Согласно первому закону термодинамики для изобарного процесса (р = const): Q= ∆V+ A'. Отсюда : ∆U= Q- A'. Находим работу газа : A' = р × ∆V Тогда: ∆U= 1,25 × 105 - 2.5 ×104 = 7,5 × 104(Дж) Ответ: ∆U= 7,5 × 104(Дж)

 

 

Билет №21

1 Вращательное движение твердого тела. Угловая и линейная скорости вращения. Центростремительное ускорение.

 

Равномерное движение по окружности является простейшим криволинейным движением.

При движении точки по окружности в качестве координаты удобно выбрать угол поворота.

Углом называется часть плоскости, ограниченная двумя лучами. Построим внутри угла несколько дуг окружностей разных радиусов, центры которых совпадают с вершиной угла. Длина дуги S, заключенной внутри угла, конечно, зависит от ее радиуса, однако отношение длины дуги к ее радиусу зависит только от величины угла

,

поэтому это отношение может служить мерой угла.

Таким образом, радианной мерой угла называется отношение длины дуги окружности с центром в вершине угла и расположенной внутри угла, к ее радиусу .

Легко установить соответствие между радианной и градусной мерой. Так как длина окружности равна s = 2πr, то полный угол равен φ = 2π радиан. Соответственно, развернутый угол равен π радиан, прямой угол - π/2 радиан. В общем виде связь между градусной φ° и радианной φ мерой выражается формулами

. (3)

1 радиан =

Основные достоинства радианной меры заключаются в том, что,

во-первых, единица измерения радиан является безразмерной величиной (отношение двух длин),

во-вторых, очень просто выражается длина дуги через радиус и величину угла

s = rφ .

Конечно, при движении по окружности материальная точка регулярно проходит через одни и те же положения в пространстве, поэтому, зная угол поворота, мы однозначно определим положение точки, но, зная только положение точки (например, ее декартовые координаты), мы не можем однозначно определить угол поворота, так как нам не известно, сколько оборотов совершила данная точка к данному моменту времени.

Пусть материальная точка движется по окружности радиуса R. Введем декартовую систему координат, начало которой совместим с центром окружности (рис. 24). Положение точки на окружности однозначно определяется углом φ между осью X и радиус-вектором точки.