101 ключевая идея: Физика

действия».

ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе мощными ядерными силами. Атом изотопа AZ X содержит Z протонов и А — Z нейтронов.

Из графика зависимости энергии связи от количества нуклонов (Е в /А) известных ядер видно, что наиболее стабильные ядра наблюдаются при А = 50, когда энергия связи на нуклон наибольшая.

Эрнест Резерфорд, бомбардируя атомы α-частицами, доказал, что в атоме имеется ядро. Он обнаружил, что поток α-частиц, направленных узким пучком на тонкую металлическую фольгу, почти весь проходит через нее; измерил количество частиц, претерпевших отклонение под различными углами в секунду, и установил, что небольшое количество частиц отклонилось на угол, превышающий 90°. В качестве объяснения такого явления ученый предположил, что каждый атом содержит очень маленькое положительно заряженное ядро, на которое приходится основная часть его массы, и что оно отталкивает α-частицу, так как имеет тот же электрический заряд. С помощью закона Кулона Резерфорд показал, что количество частиц, отклоняющихся в секунду на угол θ, пропорционально 1/sin⁴ (θ/2), что соответствовало результатам экспериментов. Он установил, что диаметр ядра приблизительно в 10-5 раз меньше диаметра атома и что ядро самого легкого атома (атома водорода) состоит из одной частицы, которую назвали протоном. Ученый также доказал, что атомный номер Z элемента — это количество протонов в ядре каждого атома.

Существование нейтронов было предсказано Резерфордом на том основании, что массовое число ядра всегда больше количества протонов, так что наряду с протонами в ядре должны находиться и нейтральные частицы. Нейтроны открыл Джеймс Чедвик, бомбардируя фольгу из бериллия α- частицами. Он обнаружил, что бериллий становился источником нового излучения, которое при столкновении с атомами азота оставляло следы в газовой камере. Исследуя их, Чедвик доказал, что излучение состояло из незаряженных частиц, масса которых примерно равна массе протона.

См. также статьи «Деление ядра», «Радиоактивность 1–4».

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Ядерный (термоядерный) синтез — это процесс слияния легких ядер, образующих более тяжелые ядра. В результате выделяется энергия при условии, что образовавшееся ядро содержит не более 50 нейтронов и протонов. Чтобы два ядра слились, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка 2–3 х 10^-15 м, оказавшись в радиусе действия ядерных сил. Начальная кинетическая энергия двух сливающихся ядер должна быть порядка МэВ; только в этом случае можно преодолеть электростатические силы отталкивания между ядрами и позволить им приблизиться на расстояние 2–3 х 10^-15 м. Такие условия создаются внутри звезды в результате чрезвычайно высокой температуры, которая поддерживается энергией, выделяемой при слиянии ядер водорода (протонов) и образовании ядер гелия и других элементов. Энергия, выделяемая на одно ядро гелия, равна приблизительно 7 МэВ на нуклон, что значительно больше энергии, выделяемой при делении ядер.

Реакция синтеза может поддерживаться в термоядерном реакторе, где магнитные поля удерживают плазму из ионизированного водорода при пропускании через нее тока с очень большой силой, порядка 106 А. Этого тепла достаточно, чтобы вызвать реакцию синтеза, при которой из ядер водорода образуются ядра гелия и других более тяжелых элементов; при этом наблюдаются следующие стадии:

Тритий (³₁Н), образующийся в литиевой оболочке, удаляется из нее и подается в плазму. Нейтроны, выделяемые в плазме, поглощаются ядрами лития; при этом образуются ядра трития и гелия. Таким образом, общий процесс выделяет 22,8 МэВ энергии на каждые четыре протона и нейтрона, из которых образуется ядро гелия. Сырьем служат водород и литий. Теоретически энергии, выделяемой при реакции синтеза, должно быть более чем достаточно для поддержания высокой температуры плазмы. Однако в настоящий момент невозможно добиться того, чтобы в таком реакторе выделялось больше энергии, чем необходимо для поддержания реакции синтеза.

Словарь

Адрон — любая элементарная частица, испытывающая сильное ядерное взаимодействие.

Активность — степень распада нестабильные ядер.

Амплитуда — максимальное смещение колеблющихся частиц относительно точки равновесия.

Барион — частица, состоящая из трех кварков.

Диффузия — постепенное и равномерное распространение хаотически движущихся частиц в веществе.

Длина волны — наименьшее расстояние между колеблющимися частицами, в один и тот же момент перемещенными на равное расстояние в том же направлении.

Дыра — переносчик положительного заряда в полупроводниках р-типа, обладающий зарядом, количественно равный заряду электрона. Фактически представляет собой вакансию электрона в атоме полупроводника.

Заряд — существует два типа заряда, положительный и отрицательный. Частицы, имеющие заряд одного типа, отталкиваются друг от друга, а частицы, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Заряд измеряется целым числом е, соответствующим заряду электрона.

Изотопы элемента — это атомы, имеющие одно и то же число протонов, но различное число нейтронов в ядре.

Импульс — произведение массы на скорость тела.

Интенсивность — количество энергии, переносимой в секунду волной или излучением через единицу площади поверхности.

Ион — атом, имеющий заряд. В незаряженные атомах число электронов равно числу протонов. При удалении электрона атом становится положительным ионом, при добавлении электрона — отрицательные.

Лептон — любая частица, испытывающая слабое взаимодействие.

Масса — мера инерции или сопротивления движению тела.

Напряжение — то же, что и разность потенциалов.

Нейтрон — незаряженная частица, масса которой немного больше массы протона. Ядро каждого атома состоит из одного или более протонов и нейтронов.

Перемещение — расстояние, пройденное от некоей точки в определенном направлении.

Период полураспада — время, необходимое для распада половины! ядер радиоактивного изотопа.

Протон — положительно заряженная частица, представляющая собой ядро самого легкого атома (атома водорода)