Атомное ядро. Структура атомных ядер. Плюсы и минусы ядерной энергии

Реферат

На тему:

«Атомное ядро. Структура атомных ядер.

Плюсы и минусы ядерной энергии»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 

1. Атомное ядро

Атомное ядро ​​- положительно заряженная центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома . ядро атома состоит из нуклонов . под нуклоном понимается ядерная частица , которая может существовать в двух состояниях - протона или нейтрона . термином нуклон , называют элементарные частицы ядра атома ( протон р или нейтрон п) ; его ввели , когда выяснили , что ядерные силы у протонов и нейтронов одинаковы ( без учета электромагнитных сил ) . так как ядерные силы намного превышают электромагнитные , то замена протона на нейтрон внутри ядра практически не влияет на его общую энергию . эта энергетическая симметрия протонов и нейтронов наглядно проявляется в подобии ядерных спектров так называемых " зеркальных " ядер , т.е. ядер , которые получаются путем замены нейтрона на протон и обратно

 1.1.  Структура атомных ядер

Структура атомных ядер была определена в 30-е годы ХХ в. Частицы, из которых состоит ядро, имеют  общее название –Нуклоны. Масса нуклона почти в 2000 раз больше массы электрона, и ее приближенное значение принято за атомную единицу массы (а. е. м.). В а. е. м. измеряется масса ядер. Существуют два типа нуклонов – Протон и Нейтрон. Протон несет положительный электрический заряд, величина которого равна элементарному, и совершенно стабилен.

Нейтрон несколько тяжелее  протона, электрически нейтрален и  в свободном состоянии способен самопроизвольно превращаться в  протон с образованием электрона  и антинейтрино. Используя общепринятые обозначения частиц: протон – Р, нейтрон – N, электрон – Е, нейтрино – ν, фотон – γ, и обозначая заряд частицы нижним индексом, а массовое число – верхним.

(Знак «~» означает, что  в данной реакции возникает  антинейтрино). Видно, что в этом  превращении восполняются законы  сохранения заряда и массового  числа. Зная порядковый номер  (Z) и массовое число некоторого  изотопа  , легко определить число протонов и нейтронов в нем.

Очевидно, что общее число  нуклонов равно А, а количество заряженных протонов – Z (заряд ядра равен порядковому  номеру изотопа), следовательно, количество нейтронов равно (A – Z). Таким образом, становится ясным, что изотопы элемента, имеющие разные массы, различаются  количеством нейтронов, а количество протонов для всех изотопов данного  химического элемента постоянно.

Между нуклонами в ядре осуществляется электромагнитное, сильное  и слабое взаимодействия. Электростатическое отталкивание одноименно заряженных протонов компенсируется не зависящим от заряда сильным (ядерным) взаимодействием  между всеми нуклонами – и  протонами, и нейтронами.

Чтобы разложить ядро на составляющие его нуклоны, надо затратить  энергию, называемую энергией связи  ядра. При образовании же ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии  связи. Данный процесс сопровождается уменьшением суммарной массы  системы на величину, называемую дефектом массы (  M).

По закону взаимосвязи  массы и энергии энергия связи  ядра (Есв) пропорциональна дефекту массы ( M).

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, закономерно изменяется в зависимости от массового числа, причем максимальное её значение соответствует  ядрам со средними значениями атомной  массы. Это делает энергетически  выгодными два типа процессов  – слияние легких ядер (реакции  синтеза) и деление тяжелых ядер (реакции распада). В настоящее  время считается, что именно реакции  первого типа – слияние ядер водорода (Z = 1) с образованием ядер гелия (Z=2), протекающие в недрах звезд, являются источником их энергии, поддерживающим температуру в десятки миллионов  кельвинов. Процессы деления тяжелых  ядер, в частности урана и плутония, позволяют получать энергию в  атомных реакторах. Исторически  сложилось так, что, хотя в обоих  случаях речь идет о ядерной энергии, энергию, выделяющуюся при расщеплении  атомных ядер принято называть атомной  энергией, а при слиянии – термоядерной. Данные процессы являются примером превращения  одних изотопов в другие. До XX в. такие  процессы считались невозможными, а  с открытием радиоактивности  их исследование стало одним из важнейших  направлений в физике микромира.

Позитро́н (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. Прианнигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н — элементарная частица, элементарныйбозон, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть, обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. В рамкахСтандартной модели отвечает за массу элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально  был предсказан в теории, и после  нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 года представители ЦЕРНа сообщили, что на обоих основных детекторах БАК наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года физики ЦЕРНа подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

ПИ-МЕЗОНЫ (p-мезоны, пионы) - группа сильно взаимодействующих элементарных частиц (адронов), в к-рую входят две противоположно заряженные (  ) и одна нейтральная  частицы. Пионы обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона, в связи с чем и были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный). Пионы являются связанными состояниями пар кварков и антикварков:  образован парой -кварков,  - парой  в  в равных пропорциях входят  и -пары кварков.

2. Энергия связи и устойчивость ядер 

 Массу атома следовало  бы вычислять как сумму масс  протонов, электронов и нейтронов,  из которых  он был построен. Однако точное определение массы  атомов показало, что экспериментально  полученные  массы всегда меньше  значений, вычисленных как сумма  масс частиц, составляющих ядро. Эта разность масс  (дефект  массы) равен:

  ∆m = Zmp + Nmn + Zme – m = ZmH + Nmn – n (18) 

и, эквивалентна энергии  связи ∆E = ∆mc2 .  Дефект массы, являясь  мерой энергии связи, представляет собой так же, как и эта энергия, меру  устойчивости системы.  Мерой  прочности (устойчивости) ядра является его энергия связи ∆Е(A,Z), т.е. превышение суммы  масс всех нуклонов ядра над  массой самого ядра:  ∆Е(A,Z)=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд(A,Z)]c2  (19)  Энергия связи, разность между  энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих  частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по  абсолютной величине, чем прочнее система. Энергия  связи с обратным знаком равна  минимальной работе,  которую  нужно затратить, чтобы разделить  систему на ее элементарные составные  части.  Дефект массы, разность ∆М между  массой М системы взаимодействующих  тел (частиц) и суммой  их масс ∑m в свободном состоянии. Определяется полной энергией их взаимодействия, т.е. энергией их связи

3.  Лёгкие и тяжёлых ядра 

Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии вядерных реакторах и ядерном оружии.

3. 1.Радиоактивность средних и тяжелых ядер  

  Одним из основополагающих  достижений ядерной физики было  обнаружение магических чисел  и объяснение их на основе  оболочечной модели ядра. В средних  и тяжелых ядрах, расположенных  в районе долины стабильности  магические числа 

Z = 20, 28, 50, 82        

N = 20, 28, 50, 82, 126

соответствуют ядрам с  заполненными оболочками. Наблюдается  повышенная стабильность ядер с числами  нейтронов или протонов N, Z = 14, 40, 64, что соответствует заполнению ядерных подобо¬лочек. О проявлении магических чисел свидетельствуют  следующие факты. Увеличение энергии  связи ядер с заполненными оболочками по сравнению с соседними ядрами. Увеличение энергии отделения одного или двух нуклонов. Наиболее отчетливо  этот эффект заметен в энергии  отделения двух нейтронов и α-частиц (рис. 1). Увеличение числа β-стабильных изотопов для ядер с магическими  числами нейтронов или протонов. В ядрах с заполненными оболочками первый 2+ уровень расположен значительно  выше по энергии по сравнению с  соседними ядрами. Магические числа  соответствуют сферическим ядрам, имеющим нулевые значения электрических  квадрупольных моментов. Ядра с заполненными оболочками имеют меньшую величину сечения захвата низкоэнергичных  нейтронов.     На рис. 1 показаны энергии отделения α-частиц от изотопов Z = 30, 40, 60, 70, 80, 90 в зависимости от числа нейтронов в ядре. В этих зависимостях проявляется несколько  интересных закономерностей. Резкое уменьшение энергии отделения α-частицы в  ядрах имеющих магические числа  нейтронов N = 28, 50, 82, 126. Монотонное увеличение энергии отделения α-частиц между  магическими числами. Лёгкие изотопы  ядер Z = 60, N < 88 имеют отрицательные  энергии связи нейтронов, что  является причиной α-радиоактивности  редкоземельных элементов. Практически  все изотопы Z > 70 имеют отрицательные  энергии связи α-частиц, что является причиной α-радиоактивности тяжелых  ядер и большой вероятности испускания запаздывающих α-частиц.     Будут ли эти особенности наблюдаться  для ядер, удаленных от долины β-стабильности? Как оболочечная структура ядер будет сказываться на радиоактивных  распадах ядер?  

Рис. 1

 Энергии отделения  двух нейтронов B_2n и энергии α-распада Q_α для α-радиоактивных ядер вблизи магического числа 126 (верхний рисунок). Энергии отделения α-частиц B_α в изотопах Z = 30, 40, 60, 70, 80, 90 (нижний рисунок). В энергиях отделения α-частиц наблюдаются характерные особенности (уменьшение энергии отделения α-частицы), соответствующие магическим числам N = 28, 50, 82, 126.

3.2.Синтез легких ядер 

Синтез легких ядер может быть осуществлен при очень высоких температурах ( порядка десятков и сотен миллионов градусов); такие реакции называют термоядерными. 

Синтез легких ядер может быть осуществлен только при очень высоких температурах ( порядка 108 К); такие реакции называются термоядерными. 

Синтез легких ядер Может быть осуществлен при очень высоких температурах ( порядка десятков и сотен миллионов градусов); такие реакции называются термоядерными. 

Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10 К. 

Управляемый термоядерный синтез - процесс  слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких  температурах в регулируемых, управляемых  условиях.

Для осуществления реакции синтеза  необходимо, чтобы два легких ядра сблизились на очень малые расстояния, при которых начинают действовать  ядерные силы. Характерное расстояние между нуклонами, на котором включаются ядерные силы, меньше 1,5 " 10-15 м. Сближению  положительно заряженных ядер препятствуют силы кулоновского отталкивания.

Процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими  ядрами, обладающими малым положительным  зарядом и только при высоких  температурах, когда кинетическая энергия  сталкивающихся ядер оказывается достаточной  для преодоления кулоновского потенциального барьера.

Осуществить реакцию синтеза легких ядер возможно ускорив ядра одного типа на ускорителе и бомбардируя  ими мишень из изотопа того же или  другого элемента. Для получения  энергии в промышленных масштабах  такой способ неприменим по следующим причинам. Сечения ядерных реакций даже в оптимальных условиях примерно в 10⁶-10⁸раз меньше сечений атомных столкновений. Поэтому кинетическая энергия ускоренного ядра интенсивно расходуется на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Оставшейся энергии ускоренного ядра оказывается недостаточно для осуществления ядерной реакции синтеза. Ее реализация имеет ничтожную вероятность. В результате энергия, затраченная на ускорение ядер, значительно превышает энергию, получаемую в ядерной реакции.

Исключить влияние процессов ионизации  и возбуждения атомов возможно, если процесс столкновений осуществлять в веществе, которое находится  в состоянии полностью ионизованной плазмы. Такое состояние достигается  при очень высокой температуре - порядка 10 кэВ (10⁸ К). Поэтому проблема промышленного получения энергии с помощью ядерных реакций синтеза получила название термоядерной. В настоящее время известны два способа осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции.

1. Медленная реакция, самопроизвольно  происходящая в недрах Солнца  и других звезд. В этом случае  количество реагирующего вещества  настолько колоссально, что оно  удерживается и сильно уплотняется  (до 100 г/см3 в центре Солнца) гравитационными  силами.

2. Быстрая реакция неуправляемого  характера, происходящая при взрыве  водородной бомбы. В качестве  ядерного взрывчатого вещества  в водородной бомбе используются  ядра легких элементов (например, ядра дейтерия и лития). Высокая  температура, необходимая для  начала термоядерного процесса, достигается в результате взрыва  атомной бомбы, которая входит  в состав водородной бомбы

4. Применение атомной энергии.

Применение ядерной энергии  в современном мире оказывается  настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной  реакции исчезла, мир, таким как  мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

Использование атомной энергии  создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с  тем, что используя себе на благо  энергию связи атомного ядра (которую  мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло  в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется  перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время  в безопасных условиях.

  5. Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии

Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия  сегодня нужна лишь промышленно  развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит  в основном, на таких объектах, как  заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой  электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной  энергии. Ее вполне можно заместить  тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование  ядерной энергии по большей части  направлено на удовлетворение наших  потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные  производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.

Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться  в модную синтетику, кушать синтетику  и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек? 
Хочет? 
И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.

А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень  много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен  в серию первый промышленный реактор  термоядерного синтеза, атомная  энергетика будет только развиваться.

В плюсы ядерной энергии мы можем  смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную  перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных  отходов, росте численности населения  и деградации пахотных площадей. Иначе  говоря, атомная энергетика позволила  человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий  преодолел порог воспроизводства  основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания  потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека.

Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который  заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее  перераспределять под себя скудеющие  ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы  термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это  за «зверь» - атомная (ядерная) энергия  и с чем ее едят.

6. Проблемы ядерной энергетики

Атомная энергетика как в Украине , так и во всем мире - лучшее из того , что имеет  сегодня человечество для своего знергообеспечения . Но сегодняшней  атомной энергетике присущи очевидные  недостатки , которых не должно быть у атомной энергетики будущего . Без устранения этих недостатков  атомная энергетика не сможет стать  гарантом энергобезопасности общества в будущем . К таким недостаткам  относятся :

• Большие объемы работ по добыче урана .
• Зависимость от наличия месторождений , их принадлежности и качества .
• Дорогостоящие работы по обогащению и разделению изотопов .
• Малая доля использования в реакторе ядерного топлива .
• Большое количество радиоактивных отходов .
• Большое количество отработанного топлива .
• Затраты , необходимые для обеспечения радиационной и ядерной безопасности .
• Тепловое загрязнение окружающей среды .
• Затраты , необходимые для вывода энергоблоков из эксплуатации .
• Облучение персонала атомных станций .
• Необходимость обеспечения сохранности критических ядерных материалов .

Разработка и  внедрение новых технологий в  атомной энергетике позволяет преодолеть или в значительной степени уменьшить  ее сегодняшние недостатки .

При широком использовании  реакторов на быстрых нейтронах  с замкнутым топливным циклом существенно уменьшится количество радиоактивных отходов . В радиоактивных  отходах атомной энергетики продолжаются ядерные процессы малой интенсивности , сопровождающиеся радиацией и энерговыделением . Эти отходы можно хранить под  наблюдением или захоранивать в  недрах Земли , обеспечив условия , при  которых ни природные явления , ни злой умысел людей не могут привести к выбросу радиоактивных продуктов . Радиоактивность - неизбежный эффект , сопровождающий ядерные реакции . Энергия деления тяжелых ядер будет востребована как главный  энергоисточник XXI века только в том  случае , если радиоактивность в  любом случае не покинет объемов , где она должна находиться в  нормальном режиме , и объемов , предусмотренных  конструкцией ядерноэнергетических установок , куда она может попасть в аварийном  режиме , а возникновение неконтролируемой цепной ядерной реакции будет  невозможно .

Полувековой мировой  опыт показал , что хранить либо захоранивать радиоактивные отходы в жидком виде опасно для окружающей среды . Как  временная мера , радиоактивные отходы в твердом виде можно упаковывать  в стекло , пластмассы , бетон и  т.п. Длительное энерговыделение и  радиация разрушают химические соединения , используемые для упаковки радиоактивных  отходов . Очевидно , что надежнее хранить  их в металлической , стойкой к  окислению , кислотам и щелочам матрице . Можно использовать нержавеющие  стали , отработавшие свой срок в виде металлоконструкций в зоне ядерных  реакций . Эти материалы имеют  наведенную радиоактивность и сами нуждаются в хранении или захоронении . Используя приемы порошковой металлургии , можно создавать блоки , обладающие высокой теплопроводностью ( для  того чтобы в центральной зоне блока не было высокой температуры ) , стойкие к радиационному разрушению и к воздействию внешней среды .

Теоретически  возможно создание еще одной технологии : радиоактивные продукты ядерных  процессов можно трансмутировать , то есть разрушить ядро ​​химического элемента , превратить в долгоживущий или в короткоживущий изотоп . Для этого можно использовать ускорители элементарных частиц . Энергия нейтронов в реакторе деления заданa природой . А энергия элементарных частиц , получаемая на ускорителе , может быть любой в широком диапазоне , что позволяет выбрать необходимые условия для трансмутации . Однако создание такой технологии вызывает ряд серьезных вопросов и может рассматриваться только как далекая перспектива .

ЛИТЕРАТУРА

• У.Я.Маргулис. Атомная энергия и радиационная безопасность. М., Энергоатомиздат, 1988г. 
• Б.Льюин. Гены: Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.
• «Ядерная энергетика», А. М. Петросянц.
• Большая советская энциклопедия.
• http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc1p/54638
• http://www.iteconomic.com/struktura-atomnogo-yadra.aspx
• http://ru.wikipedia.org/wiki/
• http://www.ecoatominf.ru/publishs/BN800/BN800_7.htm