Презентация "Элементы ядерной физики. Общие сведения о радиоактивном излучении" – проект, доклад

1.Строение ядра, его основные характеристики. 2. Ядерные силы. 3. Альфа-, бета- и гамма–распад. Характеристики альфа-, бета- и гамма - излучения. 4. Биологическое действие ионизирующего излучения.5. Ядерные реакции. Ядерный реактор 5. Виды распада ядер. Закон радиоактивного распада 5. Взаимодействие излучения с веществом.

Элементы ядерной физики. Общие сведения о радиоактивном излучении.

Лекция 26/2

Презентации по ядерной физике http://prezentacija.biz/prezentacii-po-fizike/

К 20-м годам XX - атомы и атомные ядра, имеют сложную структуру. К настоящему времени - атомные ядра различных элементов состоят из 2х частиц, протонов и нейтронов.

Протон– ядро атома водорода. eр~ 1,6–19 Кл. Масса покоя: mp~ 1,67·10–27 кг= 1836me = 1,007 а. е. м. Иногда - в значениях энергии (? = ??? ); ??~938,27 МэВ. Спин протона: ? ? (фермион)

Нейтрон - Дж.Чедвик (1932 г.) Масса покоя: ??~1,674·10–27 кг = 1,008 а. е. м = = 939,56 МэВ.(>??= 938,27МэВ) Не имеет заряда. Спин нейтрона: ? ? (фермион) – не смотря на отсутствие заряда, так как в состав входят заряженные кварки. Протоны и нейтроны - нуклоны.

Опыт Дж. Чедвика

Сильное проникающее излучение( нейтроны) возникает при бомбардировке ?? α-частицами, испускаемыми радиоактивным ?? (полоний).

Для характеристики атомных ядер ….

?- зарядовое число или атомный номер, число протоновв ядре, ??– заряд ядра, ? - число нейтронов, ? = ? + ? - массовое число, - ядра химических элементов, ?– химический символ элемента

В настоящее время известны ядра: ? = ?−???

Изотопы - ядра одного хим. эл.,отличаются числом нейтронов ?. У них? = ? + ? – разное. Хим. элемент в природе - смесь изотопов.

Н-р, у водорода 3 изотопа: ???– протий, обычный водород, 1 протон, ??? – дейтерий, 1 протон + 1 нейтрон, ???– тритий, 1 протон +2 нейтрона Углерод – 6 изотопов, Кислород-3 изотопа

Изобары- одинаковые ?, но разные ?, Изотоны- одинаковые ?, но разные ? и ?. Изотопы, изобары и изотоны- нуклиды.

2300 ядер с разными ?, ?и другими числами

Радиусы ядер хорошо аппроксимируются выражением…..

Плотность числа нуклонов постоянна во внутренней области ядра и уменьшается до нуля вблизи его поверхности.

(6)

Размеры ядра

Энергия связи и масса ядер

Масса ядра меньше суммы масс покоя составляющих нуклонов (?я - масса ядра) Энергия связи ядра - минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны).

(7)

? ? и ? ? - массы покоя протона и нейтрона

Энергия, выделяющаяся при образовании ядра

??- дефект масс

Удельная энергия связи… на один нуклон:

Для большинства ядер ≈ 8 МэВ Для разрыва химической связи - в 106 раз меньше. Наибольшая для тяжелых ядер ?  ??.

(8)

х

Если ядро имеет наименьшую возможную энергию ???? = – ?св оно - в основном состоянии. Если ядро имеет энергию ? > ????, оно - в возбужденном состоянии. При? = ? – расщепление ядра на составляющие его нуклоны.

Аналогично энергии связи электрона в атоме!

Протоны и нейтроны связаны в ядре ядерными силами. Большая плотность ядерного вещества (~1017 кг/м3). В ядре реализовано самое интенсивное из всех видов – т.н. сильное взаимодействие. ЯС притяжения между нуклонами в сотни раз больше электромагнитных сил отталкивания (протоны в ядре).

Ядерные силы (ЯС)

ЯС: силы притяжения; 2) короткодействующие,радиус действия ~10-15 м; на меньших расстояниях -отталкивание; 3) не зависят от заряда, одинаковы между двумя любыми нуклонами (?−?, ?−?, ?−?), имеют неэлектрическую природу; 4). свойственнонасыщение(каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших нуклонов). Полное насыщение ядерных сил достигается у ?−частицы

5) зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. 6) не являются центральными.

Ядерные реакции (ЯР)

Ядерная реакция-превращение атомных ядер при взаимодействии с протонами, нейтронами, ? -частицами, ионами и ?-квантами, или друг с другом. Впервые - Э. Резерфорд,при прохождении ?-частиц через газ азот.

В результате ЯР - новые радиоактивные изотопы, в том числе, которых нет в естественных условиях

Наиболее интересны для практики – ЯР при взаимодействии ядер с нейтронами. (лишены заряда, свободно проникают в атомные ядра и вызывают их превращения). Э. Ферми : ЯР вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами движущимися с тепловыми скоростями.

Первая ЯР (1932 г.) - при бомбардировке протонами большой энергии, полученных на ускорителе:

В любой ядерной реакции выполняются: законы сохранения : электрических зарядов и массовых чисел: Равны до и после реакций 2) энергии, 3) импульса, 4) момента импульса.

Важный параметр ЯР – энергетический выход ЯР: разность суммы масс покоя продуктов до реакции (?)и после нее(?′):

ЯР могут быть:

экзотермические (с выделением энергии), ∆?>?

эндотермические (с поглощением энергии): ∆?

(1)

Для понимания!!! …... Полная энергия в ЯР сохраняется! Е? и Е′? , К и К′ —энергии покоя и кинетические энергии продуктов до и после ЯР. Убыль суммарной энергии покоя = приращению суммарной кинетической энергии и наоборот. Это и есть ??: ЯР с Q > 0 - с выделением энергии, кинетической), ? ′ >? ЯР с Q

? ? +?= ? ? ′ +?′

? ? − ? ? ′ = ? ′ −?=??

Порог ядерной реакции

Эндотермические (с поглощением энергии) ЯР возможны при ударе ядра частицей с пороговой кинетической энергией (с меньшей ЯР невозможны):

(2)

Эффективное сечение σ ЯР.

σ – характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт ЯР [] - (1барн = 10–28 м2). σ интерпретируется как площадь сечения ядра X, попадая в которую налетающая частица вызывает ЯР.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: 1) Реакция деления ядер тяжелых элементов 2) Реакция синтеза ядер легких элементов (термоядерный синтез)

Реакция деления тяжелых ядер - нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 г. О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана ( ??? ??? - сейчас основной интерес для энергетики)

Тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ??~ ??? МэВ>?

Реакция в общем виде…

?=?,?; До 100 изотопов в ходе реакции…

Объяснение в капельной модели..

Избыточная энергия (>энергии активации) при поглощении нейтрона ядром переводит его в возбужденное состояние → движение нуклонов → деформация ядра → ослабление ядерных сил → деление с нейтронным осколком. Если изб. энергия

В процессе деления ядро изменяет форму : шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

Нейтроны c энергией ~1 МэВ и выше, вызывают деление ядер урана, тория, плутония и др:

Эти ядра делятся нейтронами любых энергий, но особенно эффективно медленными нейтронами:

Уран в природе - в виде двух изотопов: ??? ? (99,3 %) и ??? ? (0,7 %). Ядерное сырье - ??? ? . Необходим процесс обогащения урана изотопом ??? ? .

(3)

Продукты деления ядра ??? ? нестабильны: в них содержится избыточное число нейтронов. При делении ядра ??? ? ……+2 или 3 нейтрона. Они могут попасть в другие ядра ??? ? - вызывают их деление. Появятся 4 - 9 нейтронов - новые распады ядер ??? ? и т. д. Лавинообразный процесс деления ядер - цепная реакция. Для ЦР - коэффициент размножения нейтронов д.б. ?>?

ЦР в уране с повышенным содержанием ??? ? развивается, когда масса урана превосходит критическую массу. В небольших кусках ? большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого ??? ? - 50 кг. ~250 г- применение замедлителей нейтронов (н-р, тяжелая вода ? ? ?, графит) и оболочки из ??, которая отражает нейтроны.

ЦР: управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы - неуправляемая реакция. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней ??? ? или ??? ?? (плутоний) делятся на две удаленные части с массами ниже критических. С помощью обычного взрыва массы сближаются

При полном делении всех ядер в 1 г ??? ? , выделяется энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Ядерный (или атомный) реактор - устройство, в котором поддерживается управляемая ЦР. Это тепловая машина. Выделение тепла - за счет экзотермической реакции деления ядер. 1 МВт мощности - 3·1016 актов деления ядер в секунду. Первый ядерный реактор был построен в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми. В СССР - в 1946 г.- под руководством И. В. Курчатова.

Активная зона - основная часть реактора, в ней протекает ЦР и выделяется энергия. Объем АЗ - от 0,0n литра до n10м3(в больших тепловых реакторах). Активная зона реактора на тепловых нейтронах (с энергией 0,0n эВ) состоит из: ядерного топлива ( ??? ? , даже слабо обогащ.?), замедлителя (вода, графит, ??), теплоносителя (н-р, вода, ….. для отвода тепла на парогенератор…. ….пар…...на турбину….электроэнергия), конструкционных материалов с малым сечением захвата нейтронов (??, ??, ?? и др).

Замедлитель: для снижения энергии вторичных и т.д. быстрых нейтронов до тепловых, т. к. именно они эффективно продолжат взаимодействие с ??? ? .

Управление реактором - при помощи регулирующих стержней, содержащих ?? или?. (?- коэффициент размножения нейтронов)

При выдвинутых из АЗ стержнях k > 1.

При полностью вдвинутых стержнях k

Вдвигая стержни внутрь АЗ можно в любой момент времени приостановить развитие ЦР.

Модели ядерных реакторов : -

Гомогенные реакторы (в АЗ - смесь ядерного топлива и замедлителя. Гетерогенные реакторы – в АЗ замедлитель, в который помещаются кассеты с ядерным топливом - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Энергия выделяется в ТВЭЛах.

Реакторы типа ВВРд (PWR)- водоводяной реактор (строится в Беларуси)

Сборка гетерогенного реактора

В гетерогенном реакторе ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов

ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

1.Радиоактивность атомных ядер. 2.Виды распада ядер. Закон радиоактивного распада. 3.Взаимодействие излучения с веществом. 4. Дозы и биологическое действие ионизирующего излучения

Радиоактивность - способность нестабильных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием радиоактивного излучения.

Естественная радиоактивность - у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственная радиоактивность – у изотопов, полученных в результате ЯР.

Оба явления подчиняется одним и тем же законам.

Впервые А. Беккерель (1896 г.) обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, проникающее через непрозрачные для света преграды и вызывают почернение фотоэмульсии. М. и П. Кюри (1898 г. ) обнаружили радиоактивность тория и открыли 2 новых радиоактивных элемента – полоний и радий. Э.Резерфорд, его ученики и др. далее исследовали природу радиоактивных излучений ……

…..радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные…..

?-, ?- и ?-излучения

В магнитном поле: ?− и ?−лучи отклоняются в противоположных направлениях, причем ?-лучи - больше. ?-лучи не отклоняются.

К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.

Материнское ядро– испытывает радиоактивный распад. Дочернее ядро - возникающее, как правило, возбужденное, его переход в основное состояние происходит с испусканием ?-фотона

Основные типы радиоактивности Альфа-распад

Альфа-частицы (?−)- поток ядер гелия . Распад протекает по схеме:

?—материнское ядра,? — дочернее, ?−возможная избыточная энергия

При ?-распаде массовое число А дочернего ядра уменьшается на 4, а зарядовое число Z - на 2

Например:

Только тяжелые ядра испускают ?-частицы. Их кинетическая энергия-- несколько МэВ- избыток энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя дочернего ядра и ?-частицы, Пробег в воздухе при н.у. -- несколько см ?-частицы м.б с дискретными значениями энергий - ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. Дочернее ядро - в возбужденном состоянии → переход в основное состояние с испусканием ?-кванта .

Закономерности радиоактивном распада носят вероятностный характер и выполняются тем точнее, чем больше число радиоактивных ядер. В теории ?-распада → внутри материнского ядра может «образоваться» ?-частица. «Дочернее ядро» - еще в материнском ядре.

Основной закон радиоактивного распада

Пусть ядра распадаются независимо друг от друга. ? - постоянная распада - вероятность распада ядра в единицу времени. Смысл ?: из ? нестабильных ядер в единицу времени распадается в среднем ?? ядер. К моменту времени ? + ?? число радиоактивных ядер уменьшится на ?? = − ???? (1) Проинтегрируем (1), считая, что ?не зависит от времени.

? ? ? ?? ? =− ? ? ???

?? ?(?) ? ? =−??

?(?) — число нераспавшихся ядер в момент времени t. ? ? — числонераспавшихся при ? = ?. (2) - Закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает с течением времени по экспоненциальному закону.

? ? = ? ? ? −??

Числораспавшихся ядер за время t: ? ? −? ? = ? ? (?− ? −?? )

Среднее время жизни материнского ядра

Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: Ось ? — время, ось ? — количество нераспавшихся ядер (или м.б.) скорость распада в единицу времени.

(4) (2) ≍(5)

Период полураспада ? ? ? − время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.

…это - число распадов, происходящих в нем в единицу времени.

Интенсивность распада в радиоактивном препарате, характеризуется активностью ?

? (4) - среднее время жизни материнского ядра

Единица активности (СИ) - беккерель (Бк), один распад в секунду. Внесистемная единица - кюри(Кu), активность 1 г изотопа радия (1 Кu =3,7*1010 Бк). Удельная активность- активность единицы массы радиоактивного препарата: ?= ? ?

Бета-распад(?− распад)

Самопроизвольный процесс, внутриядерное превращение нейтрона в протон, или протона в нейтрон, а также свободного нейтрона в протон. ?-распадреализуется путем испускания: а) электрона б) позитрона и к ним + электронные антинейтрино (а) и нейтрино (б)

в) захватом электрона из К- оболочки атома.

Три разновидности ?−распада

1). Электронный ? − - распад, ядро испускает электрон и зарядовое числоядра: ? →? + ?; 2). Позитронный ? + - распад, ядро испускает позитрон и зарядовое число ядра: ? →? − ?; 3). К - захват, ядро захватывает один электрон из изК-оболочкиатома и зарядовое число ядра: ? →? − ?; На пустое место в К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К - захват всегда сопровождается характеристическим рентегновским излучением.

Электрон: ?=−? и массовое число ?=?, чтобы выполнить законы сохранение заряда и числа нуклонов в про­цессе распада.

В основе электронного ? − - распада - превращение в ядре нейтрона в протон:

Электронный ? − - распад

? ?

?→?+ ? − + ? ?

Дочернее ядро при ? − -распаде может быть в возбужденном состоянии. При переходе ядра в основное - испускается g-квант, аналогично? – распаду.

Тип нейтрино определяется заряженной частицей, с которой оно рождается и с которой взаимодействует. ? − -распад - испускание электронного антинейтрино.

2. Позитронный ? + -распад. Позитрон: ?=+? и массовое число ?=? Ядро испускает позитрон, в результате чего его ? →? − ?. Происходит по схеме…..

В основе позитронного ? + -распада лежит превращение в ядре протона в нейтрон :

?→?+ ? + + ? ?

Позитронный ? + - распад сопровождается испусканием позитрона ? + и нейтрино ? ? , - античастиц, по отношению к частицамв электронном ? − - распаде.

К-захват При захвате ядром электрона (с электронной К-оболочки) происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, что сопровождается испусканием нейтрино:

?+ ? − →?+ ? ?

Гамма-излучение (g-излучение)

Коротковолновое эл.магн. излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Ядро - квантовая система с дискретным набором энергетических уровней, потому спектр ?-излучения - дискретен. Энергия ?-квантов ? ? , испускаемых различными ядрами: 10 кэВ ≤ ? ? ≤ 5 МэВ.

Длина волны:2*10-13 м ≤ ? ≤ 10-10 м.

Испускание?-излучения- внутриядерный процесс. ?-излучение сопровождает?- и ?-распады ядер, при переходе дочернего ядра из возбужденного в основное состояние Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии различно для разных ядер 10-15с ≤ ? ? ≤ 10-7 с. За это время ядро переходит на более низкий энергетический уровень, испуская ?-излучение.

Взаимодействие излучения (?−,?−,?-) с веществом –

Ионизирующее излучение (ИИ) или радиация – поток частиц или квантов ЭлМаг – излучения, которое при взаимодействии с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул: (это потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов, ?−частиц и др. заряженных частиц, а также нейтронов, рентгеновское и гамма-излучение.

1) Ядерные реакции активно происходят в веществе при взаимодействии с нейтронами, и иногда – с ?-частицами. Для других типов ИИ - ядерные реакций в веществе маловероятны. В этом случае энергия ИИ расходуется на взаимодействие с электронными оболочками атомов вещества

Характер взаимодействия излучения с веществом зависит от: его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества.

Упругое рассеяние частиц ИИ– процесс столкновения частиц ……меняются только их импульсы, а внутреннее состояния остаются неизменным. Неупругое рассеяние частиц ИИ приводит к изменению их внутреннего состояния, превращению в другие частицы или дополнительному рождению новых частиц.

Пробег R - минимальная толщина в-ва в направлении скорости частиц ИИ до их остановки или полного поглощения в-вом.

Пробег ?-частиц- очень мал: сотые доли мм - в биологических средах; 2,5 - 8 см - в воздухе; несколько мкм - в живой ткани. ?-частицы приводят к большей линейной плотности ионизации. Вдоль их короткого пути - большое число ионов.

? -частицы многократно отклоняются от первоначального направления. В в- ве преобладают эффекты их рассеяния. Пробег в воздухе – несколько м, в тканях — нескольких мм. Энергия ? –частиц- до 3 МэВ. Средняя энергия = ? ? ? макс ? –частицы с ? макс полностью поглощаются слоем ?? толщиной ?,? мм. При взаимодействии с в- вом - ионизация или возбуждение его атомов. Их поглощение в-вом сопровождается испусканием неядерного?−и ?-излучения.

?- излучение - поток электронов и позитронов, испускаемых ядром или электронной оболочкой, скорость ?∗ ?? ? м/сек.

?−излучение (?–кванты)взаимодействует с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам,в результате чего наблюдаются: фотоэффект(?? ≤ ??? кэВ)+характеристическое ?-излучение эффект Комптона(?? ~?,? МэВ): возникающие быстрые электроны отдачи производят ионизацию атомов среды+рассеянные g-кванты с уменьшенной энергией. рождение электронно-позитронных пар ??  ????? , основной результат при больших энергиях ?-квантов.

Пробегиg–квантов и нейтронов в воздухе - сотни метров, в ТТ – десятки см и даже метры. ?−излучение - наиболее проникающее ИИ, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

?-частицы - легко остановить листом бумаги. ?-излучение до 1 МэВ - ?? - пластины толщиной в несколько мм. ?- излучение - эффективны тяжёлые элементы (свинец и т. д.), поглощают МэВ-ные фотоны при толщине несколько см.

Проникающая способность всех видов ИИ зависит от энергии частиц или квантов.

Дозы и биологическое действие ионизирующего излучения

Доза поглощения - энергия ИИ, которая поглощается при прохождении через единицу массы вещества.

СИ -1 Грей (Гр) → 1кг вещества поглощает 1 Дж энергии излучения. 1 Рад = 10-2 Гр

Экспозиционная доза– для характеристики ?- иg-излучения- - заряд ионов одного знака, образующихся в единице массы сухого воздуха под их действием

СИ - Кл/кг. Внесистемная единица - рентген (Р). 1Р = ?,??∗ ?? −? Кл / кг; М.б. использована для расчета поглощенной дозы.

В дозиметрии - сравнивают эффекты, вызванные различными ИИ, с эффектом от ? − или ? – излучения.

Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на коэффициент качества данного излучения.

Коэффициент качества излучения показывает во сколько раз эффективность действия данного вида излучения больше, чем ?- или g-излучения. Определяется из опыта. Зависит от вида излучения, и энергии частиц.

СИ - Дж/кг, зиверт (Зв).

Коэффициент качества излучения

Минимальная летальная доза для человека - 6 Зв за один раз.

Эффективная эквивалентная доза - для оценки ущерба здоровью человека при неравномерном облучении тела, отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.

?– коэффициент риска для отдельного органа при облучении всего тела одинаковой ? экв

Костный мозг, толстый кишечник, легкие, желудок - 0,12 Мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод, щитовидная железа - 0,05 Кожа, клетки костных поверхностей - 0,01 Остальное - 0,05