Физика атомного ядра

Главное по теме

• Ядро состоит из протонов (Z штук, Z - зарядовое число) и нейтронов (N штук). Массовое число A = Z + N. Запись ядра: A-верх, Z-низ у символа элемента.
• Изотопы - ядра одного элемента (одинаковое Z) с разным числом нейтронов.
• Ядерные силы - сильные, короткодействующие, не зависят от заряда; они удерживают нуклоны вместе вопреки отталкиванию протонов.
• Дефект масс Δm = Z·m_p + N·m_n - M_ядра. Энергия связи E_св = Δm·c²; 1 а.е.м. соответствует 931,5 МэВ.
• Альфа-распад: ядро теряет ядро гелия, A уменьшается на 4, Z на 2. Бета-минус распад: A не меняется, Z растёт на 1.
• Гамма-излучение - электромагнитные волны очень высокой частоты, заряд и массовое число не меняет.
• Закон радиоактивного распада: N = N₀ / 2^{t / T}, где T - период полураспада. Через один период остаётся 12, через два 14, через три 18.
• Активность радиоактивного образца измеряется в беккерелях (1 Бк = 1 распад в секунду).
• Деление тяжёлых ядер (урана-235) идёт цепной реакцией с выделением энергии; в реакторе ею управляют стержнями-поглотителями, замедлитель замедляет нейтроны.
• Термоядерный синтез - слияние лёгких ядер, источник энергии Солнца. Дозы излучения: поглощённая в греях (Гр), эквивалентная в зивертах (Зв).

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Ядро: состав, распады, период полураспада, энергия связи

  Ловушка: При β⁻-распаде меняют массовое число; число нейтронов берут равным массовому числу.

  Как решать: Нейтронов N = A − Z. α: A − 4, Z − 2. β⁻: A то же, Z + 1. За каждый период полураспада остаётся половина.

• Соответствие (2 балла)

  Ловушка: Справа лишние варианты той же темы; одну величину из пары решают правильно, вторую наугад.

  Как решать: Реши обе строки как два отдельных задания. Ответы справа могут отличаться только множителем: проверь степени и единицы.

Объяснение простыми словами

Что если вещество само по себе постепенно исчезает? Звучит странно, но именно так ведёт себя радиоактивный материал: ядра его атомов сами собой превращаются в другие. Чтобы разобраться, начнём с того, из чего состоит ядро. Оно очень мало, примерно в сто тысяч раз меньше атома, но в нём почти вся масса атома.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, общее название которых нуклоны. Число протонов Z - зарядовое число, оно определяет номер элемента. Число нейтронов обозначим N. Общее число нуклонов - массовое число A = Z + N. Например, ядро углерода-12 имеет Z = 6 и A = 12, значит нейтронов 12 - 6 = 6. Ядра с одинаковым Z и разным числом нейтронов называются изотопами: у углерода-12 и углерода-14 по 6 протонов, а нейтронов 6 и 8. Протоны отталкиваются друг от друга, но ядро держится благодаря ядерным силам: они гораздо сильнее электрических, но действуют только на расстояниях порядка размера самого ядра.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Нуклон

Общее название частиц ядра: протона и нейтрона.

Протон

Положительно заряженная частица ядра; число протонов равно номеру элемента в таблице Менделеева.

Нейтрон

Электрически нейтральная частица ядра, открыта Чедвиком в 1932 году.

Зарядовое число Z

Число протонов в ядре, оно же номер элемента.

Массовое число A

Общее число нуклонов в ядре, A = Z + N.

Изотопы

Разновидности одного элемента с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов.

Ядерные силы

Силы притяжения между нуклонами, очень сильные и действующие только на расстояниях порядка размера ядра.

Дефект масс

Разность между суммой масс отдельных нуклонов и массой ядра, часть массы переходит в энергию связи.

Энергия связи ядра

Минимальная энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, E = Δm·c².

Атомная единица массы (а.е.м.)

Единица массы атомов, равная 112 массы атома углерода-12; соответствует энергии 931,5 МэВ.

Радиоактивность

Самопроизвольное превращение нестабильных ядер с испусканием излучения; открыл Беккерель.

Альфа-излучение

Поток ядер гелия-4 (два протона и два нейтрона), слабо проникающее, задерживается листом бумаги.

Бета-излучение

Поток быстрых электронов (при бета-минус распаде) или позитронов; проникающая способность выше, чем у альфа-излучения.

Гамма-излучение

Электромагнитное излучение очень высокой частоты, самое проникающее, ослабляется толстым слоем свинца или бетона.

Правила смещения

Правила изменения Z и A при распаде: альфа-распад даёт (A - 4, Z - 2), бета-минус распад даёт (A, Z + 1).

Период полураспада T

Время, за которое распадается половина имеющихся радиоактивных ядер.

Закон радиоактивного распада

Число нераспавшихся ядер убывает по закону N = N₀ / 2^{t / T}.

Активность

Число распадов в единицу времени, измеряется в беккерелях.

Ядерная реакция

Превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или другими ядрами; в реакции сохраняются заряд и число нуклонов.

Деление ядер

Расщепление тяжёлого ядра, например урана-235, на два осколка под действием нейтрона с выделением энергии и новых нейтронов.

Цепная реакция

Реакция деления, в которой нейтроны от одного акта вызывают следующие; идёт при достижении критической массы.

Ядерный реактор

Установка для управляемой цепной реакции: топливо, замедлитель нейтронов, стержни-поглотители, теплоноситель.

Термоядерная реакция

Слияние лёгких ядер в более тяжёлые при очень высокой температуре, с выделением энергии; идёт на Солнце.

Поглощённая и эквивалентная доза

Меры воздействия излучения: поглощённая доза в греях (Дж/кг), эквивалентная доза в зивертах с учётом вида излучения.

Счётчик Гейгера

Прибор для регистрации ионизирующих частиц по возникающему в газе разряду.