ГЛАВА 38. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Физике атомного ядра посвящен завершающий раздел программы средней школы, в котором рассматривают темы «Атомное ядро», «Элементарные частицы» и «Ядерная энергия».

В средней школе изучают лишь фундаментальные экспериментальные данные, причем для того, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии. Этим определяется и характер решаемых задач по физике атомного ядра в средней школе. Большинство задач носит качественный характер.

При записи ядерных реакций используют условные обозначения атомов: у химического символа элемента ставят числа, обозначающие заряд ядра и массовое число. Например, фосфор с порядковым номером (зарядом ядра) — 15 и массовым числом — 30.

При символической записи ядерных реакций исходят из законов сохранения заряда и массового числа.

Пусть, например, установлено, что при бомбардировке изотопа алюминия -частицами получают протон и ядро какого-то элемента Надо определить, что это за элемент.

Ядерную реакцию в этом случае записывают следующим образом:

По закону сохранения заряда т. е. а по закону сохранения массовых чисел откуда Получившееся ядро представляет собой ядро кремния, что устанавливают с помощью периодической системы элементов Менделеева. Окончательно данную ядерную реакцию можно записать

Энергию связи атомных ядер определяют с помощью соотношения Эйнштейна где разница между массой частиц, составляющих ядро, и массой самого ядра.

Если обозначить порядковый номер элемента массовое число массу протона массу нейтрона массу ядра элемента то

Однако экспериментально определяют обычно не массу ядра, а массу атома В этом случае при расчете с достаточной степенью точности можно брать не массы протонов и ядра элемента, а массы атомов водорода и атома элемента, которые обозначим соответственно

Тогда

С помощью соотношения Атсг вычисляют и энергию, выделяющуюся при делении тяжелых и синтезе легких ядер.

При расчетах учащиеся должны учитывать, что в атомной физике принято брать:

за единицу заряда — заряд электрона

за единицу массы — 1/12 массы атома углерода (см. № 519);

за единицу энергии—электронвольт

Массы изотопов элементов, протона, нейтрона, атома водорода берут из специальных таблиц.

Дозу рентгеновского или -излучения измеряют в единицах, получивших название рентген.

Рентген — это доза излучения, при котором в сухого воздуха при нормальных условиях создается пар ионов.

Радиоактивный распад изучают в школе только качественно. Задачи решают с использованием понятия о периоде полураспада, причем только для случая, когда масса вещества уменьшается в раз, т. е. в раз.

В первую очередь надо повторить задачу № 307, а также разобрать простейшие задачи, в которых используется диаграмма, характеризующая процесс распада радиоактивного вещества (рис. 163).

959. Имелось некоторое количество радиоактивного радона. Количество радона уменьшилось в 8 раз за 11,4 дня. Каков период полураспада радона?

Решение. Как видно из диаграммы (рис. 63), в 8 раз количество вещества уменьшится за время, равное трем периодам полураспада Следовательно дня, а дня.

Отклонение а- и -частиц в электрическом и магнитном полях рассматривалось в задачах № 308, 309. Здесь необходимо повторить эти задачи и решить аналогичные или более сложные задачи.

Рис. 314.

Рис. 315

Рис. 316

960. Определите направление вектора индукции В магнитного поля, чтобы а- и -частицы отклонялись так, как показано на рисунке 314.

Ответ. Поток -частиц можно уподобить электрическому току, текущему в том же направлении как движутся частицы, а поток -частиц — электрическому току противоположного направления. Применив правило левой руки, устанавливают, что вектор В направлен перпендикулярно плоскости чертежа, от нас за чертеж.

961. На рисунке 315 показан трек частицы в камере Вильсона, помещенной" в магнитное поле. Вектор индукции магнитного поля В направлен от нас за чертеж (обозначено крестиками). Частица летит снизу вверх. Зарядом какого знака обладает частица?

Ответ. Применяя правило левой руки, определяют, что частица имеет отрицательный заряд.

962. Для определения направления движения мезонов на их пути в камере Вильсона помещают свинцовые пластинки. Объясните, как при этом определяют направление движения частицы.

Ответ. Мезоны большой энергии обладают способностью проходить через свинцовые фильтры толщиной до При прохождении через свинцовую пластинку мезон теряет часть энергии него скорость уменьшается. В магнитном поле при угле а между мезон движется в камере Вильсона по дуге окружности радиусом притом радиус окужности тем больше, чем больше скорость частицы.

Если в камере Вильсона на пути летящего мезона находится свинцовая пластинка, то скорость мезона после прохождения пластинки уменьшится и весь трек мезона получится в виде двух дуг

окружностей разных радиусов. Для случая, изображенного на рисунке 316, видно, что частица летит снизу вверх, так как до свинцовой пластинки трек его представляет дугу очень большого радиуса, а после пластинки — радиус дуги уменьшился, так как уменьшилась скорость частицы.

963. При бомбардировке изотопа нейтронами получается изотоп углерода который оказывается -радиоактивным. Напишите уравнения ядерных реакций.

Решение. Первая ядерная реакция

По закону сохранения заряда т. е. По закону сохранения массовых чисел т. е. Следовательно, а это протон Запишем:

Вторая ядерная реакция

По законам сохранения заряда и массового числа т. е. По периодической системе элементов устанавливаем, что это изотоп азота. Окончательно записываем

964. Подсчитайте энергию связи ядра гелия. Решение. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии Изменение массы .

Из таблиц берем значения для гелия. Ядро гелия — -частица.

При образовании ядра атома гелия выделилась энергия связи

Выделяется очень большая энергия, так как надо учитывать, что расчет проведен только для одного ядра (см. задачу № 966).

965. Определите энергию связи ядра изотопа лития Решение. В таблицах нет массы ядра изотопа лития — а приведено значение массы атома изотопа лития Поэтому надо определять по формуле где масса атома водорода.

Расчет может вестись и несколько иначе, если предварительно определить энергию, соответствующую одной атомной единице массы Тогда энергия связи ядра будет

966. Известно, что при одном делении ядра изотопа урана освобождается энергии. Какое количество энергии можно получить при делении урана?

Решение. Чтобы найти энергию, которая выделяется при делении урана, надо определить число атомов в данной массе вещества. В грамм-атоме вещества число атомов равно (число Авогадро). Атомный вес указанного в задаче изотопа урана Тогда число атомов в

а выделяющаяся энергия

В последнем преобразовании были использованы соотношения

967. Мощность атомного реактора при потреблении в сутки изотопа урана Какая часть энергии, выделяющейся при делении используется полезно?

Решение. В задаче 966 было определено, что при делении выделяется За сутки при делении выделится энергия:

Полезную работу А, совершаемую атомным реактором за время определяем через мощность реактора

Следовательно, расходуется полезно только - дада 16,7% всей энергии.

968. Карманный дозиметр радиоактивного облучения, представляющий собой миниатюрную (типа авторучки) ионизационную камеру емкостью заряжен до потенциала в. Под влиянием облучения потенциал снизился до На сколько уменьшился электрический заряд дозиметра? Объем воздуха в камере дозиметра Определите дозу облучения.

Решение. При облучении происходит ионизация воздуха в камере дозиметра и часть заряда дозиметра нейтрализуется образовавшимися ионами. Напряжение изменилось на а нейтрализовался заряд Число пар образовавшихся ионов в объеме V можно найти, если разделить этот заряд на заряд иона Для простоты примем, что все образовавшиеся ионы одновалентны.

В объеме число ионов будет в V раз меньше, т. е.

Дозу облучения определяем путем сравнения с числом пар

Доза облучения

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)