Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
230
(10 12— 10 13 см). што паказалі ўжо доследы Рэзерфорда па рассейванню ачасціц атамнымі ядрамі. Ядзерныя сілы — гэта,
так сказаць, «багатыр з вельмі кароткімі рукамі». Закончаная колькасная тэорыя ядзерных сіл пакуль яшчэ не пабудавана. Значныя поспехі ў пабудаванні гэтай тэорыі былі дасягнуты зусім нядаўна — у апошнія 10—15 гадоў.
Ядры атамаў складаюцца з пратонаў і нейтронаў. Гэтыя часціцы ўтрымліваюцца ў ядры ядзернымі сіламі.
• Як ія галоўныя асаблівасці ядзерных сіл?
§ 84. ЭНЕРПЯ СУВЯЗІ АТАМНЫХ ЯДЗЕР
Найважнейшую ролю ва ўсёй ядзернай фізіцы адыгрывае паняцце энергіі сувязі ядра. Энергія сувязі дазваляе растлумачыць устойлівасць ядзер, высветліць, якія працэсы вядуць да вылучэння ядзернай энергіі.
Нуклоны ў ядры моцна ўтрымліваюцца ядзернымі сіламі. Для таго каб выдаліць нуклон з ядра, трэба выканаць вялікую работу, г. зн. надаць ядру значную энергію.
Пад энергіяй сувязі ядра разумеюць тую энергію, якая неабходна для поўнага расшчаплення ядра на асобныя нуклоны. На аснове закону захавання энергіі можна таксама сцвярджаць, што энергія сувязі роўна той энергіі, якая вылучаецца пры ўтварэнні ядра з асобных часціц. Энергія сувязі атамных ядзер вельмі вялікая. Але як яе знайсні?
У цяперашні час разлічыць энергію сувязі тэарэтычна, падобна да таго як гэта можна зрабіць для электронаў у атаме, не ўдаецца. Выканаць адпаведныя разлікі можна, толькі прымяняючы суадносіну Эйнштэйна паміж масай і энергіяй:
Е = тс2. (10.3)
Самыя дакладныя вымярэнні мас ядзер паказваюць, што маса спакою ядра Мя заўсёды меншая за суму мас спакою складаючых яго пратонаў і нейтронаў:
Мя< ZmP + Nmn. (10.4)
Існуе, як кажуць, дэфект мас: рознасць мас
AM = Zmp + Nmn — M«
дадатная. У прыватнасці, для гелію маса ядра на 0,75 % меншая за суму мас двух пратонаў і двух нейтронаў. Адпаведна для аднаго моля гелію AM = 0,03 г.
Памяншэнне масы пры ўтварэнні ядра з нуклонаў азначае,
231
што пры гэтым памяншаецца энергія дадзенай сістэмы нуклонаў на велічыню энергіі сувязі Есув:
ЕсУв = &Мс2 = (Zmp\Nmn—Mh)c2. (10.5)
Але куды пры гэтым дзяваецца энергія ЕсУв і маса ДЛ4?
Пры ўтварэнні ядра з часціц апошнія за кошт дзеянняў ядзерных сіл на малых адлегласцях накіроўваюцца з велізарным паскарэннем адна да адной. укванты, якія пры гэтым выпраменьваюцца, валодаюць энергіяй ЕсУв і масай
ДМ = ЛЧ с
Аб велічыні энергіі сувязі можна меркаваць па такому прыкладу: утварэнне 4 г гелію суправаджаецца вылучэннем такой жа энергіі, як і згаранне 1,5—2 вагонаў каменнага вугалю.
Важную інфармацыю аб уласцівасцях ядзер змяшчае залежнасць удзельнай энергіі сувязі ад масавага ліку А.
Удзельнай энергіяй сувязі называюць энергію сувязі, якая прыходзіцца на адзін нуклон ядра. Яе вызначаюць эксперыментальна.
3 рысунка 183 добра відаць, што,не лічачы самых лёгкіх ядзер, „ МэВ удзельная энерпя сувязі прыкладна пастаянная і роўна 8.
Адзначым, што энергія сувязі электрона з ядром у атаме вадароду, роўная энергіі іанізацыі, амаль у мільён разоў меншая за гэту велічыню.
Крывая на рысунку 183 мае слаба выражаны максімум. Мак
232
сімальную ўдзельную энергію сувязі (8,6—) маюць элемен
нуклон
ты з масавымі лікамі ад 50 да 60, г. зн. жалеза і блізкія да яго па парадкаваму нумару элементы. Ядры гэтых элементаў найбольш устойлівыя.
У цяжкіх ядрах удзельная энергія сувязі памяншаецца за кошт кулонаўскай энергіі адштурхвання пратонаў, якая расце з павелічэннем Z. Кулонаўскія сілы імкнуцца разарваць ядро.
Часціцы ў ядры моцна звязаны адна з адной. Энергія сувязі часціц вызначаецца па дэфекту масы.
1. Што называюць энергіяй сувязі ядра? 2. Чаму ядро медзі ўстойлівае, а ядро урану няўстойлівае?
§ 85. ЯДЗЕРНЫЯ ЙЭАКЦЫІ
Атамныя ядры пры ўзаемадзеяннях зведваюць ператварэнні. Гэтыя ператварэнні суправаджаюцца павелічэннем або памяншэннем кінетычнай энергіі часціц, якія ўдзельнічаюць у ператварэннях.
Ядзернымі рэакцыямі называюць змяненні атамных ядзер пры ўзаемадзеянні іх з элементарнымі часціцамі або адно з адным. 3 прыкладамі ядзерных рэакцый вы пазнаёміліся ўжо ў § 82.
Ядзерныя рэакцыі адбываюцца, калі часціцы ўшчыльную прыбліжаюцца да ядра і пападаюць у сферу дзеяння ядзерных сіл. Аднайменна зараджаныя часціцы адштурхваюцца адна ад адной. Таму збліжэнне дадатна зараджаных часціц з ядрамі (або ядзер адно з адным) магчыма, калі гэтым часціцам (або ядрам) нададзена вялікая кінетычная энергія. Гэта энергія надаецца пратонам, ядрам дэйтэрыю — дэйтронам, ачасціцам і іншым больш цяжкім ядрам з дапамогай паскаральнікаў элементарных часціц і іонаў.
Для ажыццяўлення ядзерных рэакцый такі метад значна больш эфектыўны, чым выкарыстанне ядзер гелію, выпраменьваемых радыеактыўнымі элементамі. Папершае, з дапамогай паскаральнікаў часціцам можа быць нададзена энергія парадку 10° МэВ, г. зн. значна большая за тую, якую маюць ачасціцы (максімальна 9 МэВ). Падругое, можна выкарыстаць пратоны, якія ў працэсе радыеактыўнага распаду не з’яўляюцца (гэта мэтазгодна таму, што іх зарад у два разы меншы за зарад ачасціц, і таму сіла адштурхвання, якая дзейнічае на іх з боку ядзер, таксама ў два разы меншая). Патрэцяе, можна паскорыць ядры больш цяжкія, чым ядры гелію.
Першая ядзерная рэакцыя на хуткіх пратонах была ажыццёўлена ў 1932 г. Удалося расшчапіць літый на дзве ачасціцы:
Пл + !Н^Не + Ше.
233
Рыс. 184
Як відаць з фатаграфіі трэкаў у камеры Вільсана (рыс. 184), ядры гелію разлятаюцца ў розныя бакі ўздоўж адной прамой у адпаведнасці з патрабаваннямі закону захавання імпульсу (імпульс пратона многа меншы за імпульс ачасціц, якія ўзнікаюць; на фатаграфіі трэкі пратонаў не бачныя).
Энергетычны выхад ядзерных рэакцый. У апісанай вышэй ядзернай рэакцыі кінетычная энергія двух ядраў гелію, што ўтвараюцца, аказалася большая за кінетычную энергію пратона, які ўступаў у рэакцыю, на 7,3 МэВ. Ператварэнне ядзер суправаджаецца змяненнем унутранай энергіі (энергія сувязі). У разгледжанай рэакцыі ўдзельная энергія сувязі ў ядрах гелію большая за ўдзельную энергію сувязі ў ядрах літыю. Таму частка ўнутранай энергіі ядра літыю ператвараецца ў кінетычную энергію ачасціц, якія разлятаюцца.
Змяненне энергіі сувязі ядзер азначае, што сумарная энергія спакою часціц і ядзер, што ўдзельнічаюць у пэакцыі, не застаецца нязменнай. Энергія ж спакою ядра МяС^ згодна з формулай (10.5) непасрэдна выражаецца праз энергію сувязі. У адпаведнасці з законам захавання энергіі змяненне кінетычнай энергіі ў працэсе ядзернай рэакцыі роўна змяненню энергіі спакою ядзер і часціц, якія ўдзельнічаюць у рэакцыі.
Энергетычным выхадам ядзернай рэакцыі называецца розн.асць энергіі спакою ядзер і часціц да рэакцыі і пасля рэакцыі. Згодна са сказаным раней энергетычны выхад ядзернай рэакцыі роўны таксама змяненню кінетычнай энергіі часціц — удзельнікаў рэакцыі.
Калі кінетычная энергія ядзер і часціц пасля рэакцыі большая, чым да рэакцыі, то гавораць аб вылучэнні энергіі. У процілеглым выпадку рэакцыя ідзе з паглынаннем энергіі. Іменна такога роду рэакцыя адбываецца пры бамбардзіроўцы азоту ачасціцамі (гл. § 82). Частка кінетычнай энергіі (прыкладна 1,2 106 эВ) пераходзіць у працэсе гэтай рэакцыі ва ўнутраную энергію зноў утворанага ядра.
Энергія, што вылучаецца пры ядзерных рэакцыях, можа быць велізарнай. Але выкарыстаць яе шляхам ажыццяўлення сутыкненняў паскораных часціц (або ядзер) з нерухомымі ядрамі мішэні практычна нельга. Бо большая частка паскораных часціц пралятае міма ядзер мішэні, не выклікаючы рэакцыі.
Ядзерныя рэакцыі на нейтронах. Адкрыццё нейтрона было паваротным пунктам у даследаванні ядзерных рэакцый. Паколькі нейтроны не маюць зараду, то яны без перашкод пранікаюць у атамныя ядры і выклікаюць іх змяненні. Напрыклад, назіраецца наступная рэакцыя:
^Al+in+ftNa + Ше.
234
Вялікі італьянскі фізік Энрыка Фермі першым пачаў вывучаць рэакцыі, выклікаемыя нейтронамі. Ен выявіў, што ядзерныя ператварэнні выклікаюцца не толькі хуткімі, але і павольнымі нейтронамі. Прычым гэтыя павольныя нейтроны аказваюцца ў большасці выпадкаў нават значна больш эфектыўнымі, чым хуткія. Таму хуткія нейтроны мэтазгодна папярэдне запавольваць. Запавольванне нейтронаў да цеплавых скорасцей адбываецца ў звычайнай вадзе. Гэты эфект тлумачыцца тым, што ў вадзе змяшчаецца вялікая колькасць ядзер вадароду пратонаў, маса якіх амаль роўна масе нейтронаў. Пры сутыкненнях жа шароў аднолькавай масы адбываецца найбольш інтэнсіўная перадача кінетычнай энергіі. Пры цэнтральным саўдары нейтрона з пратонам, які знаходзіцца ў спакоі, ён цалкам перадае пратону сваю кінетычную энергію.
Рэакцыі, у якія ўступаюць атамныя ядры, вельмі разнастайныя. Нейтроны не адштурхваюцца ядрамі і таму асабліва эфектыўна выклікаюць ператварэнні ядзер.
1. Растлумачце, скарыстоўваючы рысунак 183, чаму пры ядзернай рэакцыі ?Li + jH<2Не + гНе энергія не паглынаецца, а вылучаецца. 2. Што называюць энергетычным выхадам ядзернай рэакцыі? 3. У чым галоўнае адрозненне ядзерных рэакцый на нейтронах ад ядзерных рэакцый, вызваных зараджанымі часціцамі?
§ 86. ДЗЯЛЕННЕ ЯДЗЕР УРАНУ
Дзяліцца на часткі могуць толькі ядры некаторых цяжкіх элементаў. Пры дзяленні ядзер выпраменьваюцца дватры нейтроны і упрамені. Адначасова вылучаецца вялікая энергія.
Адкрыццё дзялення урану. Дзяленне ядзер урану было адкрыта ў 1938 г. нямецкімі вучонымі О. Ганам і Ф. Штрасманам. Яны ўстанавілі, што пры бамбардзіроўцы урану нейтронамі ўзнікаюць элементы сярэдняй часткі перыядычнай сістэмы: барый, крыптон і інш. Аднак правільнае тлумачэнне гэтага факта, менавіта як дзялення ядра урану, якое захапіла нейтрон, было дадзена ў пачатку 1939 г. англійскім фізікам О. Фрышам сумесна з аўстрыйскім фізікам Л. Мейтнер.
Дзяленне ядра магчыма дзякуючы таму, што маса спакою цяжкага ядра больйіая за суму мас спакою асколкаў, якія ўзнікаюць пры дзяленні. 3за гэтага адбываецца вылучэнне энергіі, эквівалентнай памяншэнню масы спакою, якое суправаджае дзяленне. Але поўная маса захоўваецца, паколькі маса асколкаў, што рухаюцца з вялікай скорасцю, перавышае іх масу спакою.
Магчымасць дзялення цяжкіх ядзер можна таксама растлумачыць з дапамогай графіка залежнасці ўдзельнай энергіі сувязі ад масавага ліку А (гл. рыс. 183). Удзельная энергія сувязі
КНІГІ ОНЛАЙН
