- •Лекция 5.
- •Классификация систем. Термодинамика и статистическая физика
- •Первое начало термодинамики.
- •Второе начало термодинамики.
- •Лекция 6.
- •Ячейки Бенара.
- •Лекция 7. Основы строения материи
- •Характеристика атомного ядра
- •Энергия связи ядра
- •Радиоактивность
- •Протонная радиоактивность
- •Лекция 8. Космологическая эволюция
- •Космологические модели Вселенной
- •Предсказание теорий нестационарности Вселенной
- •Открытие расширения Вселенной
- •Критическая плотность. Модели открытой и замкнутой Вселенной
- •Эволюция Вселенной. Физические процессы.
- •Физический вакуум
- •Синергетический подход к эволюции Вселенной
- •Лекция 9. Элементарные частицы
- •Античастицы. Физический вакуум. Квантовая теория поля.
- •Лекция 11. Возникновение и эволюция жизни.
- •Уровни организации живых систем. Онтогенетический уровень живых систем.
- •Популяционный уровень
- •Биоценоз
- •Биогеоценоз
- •Биосфера
- •Эволюция представлений о биосфере
- •Концепция Вернадского о биосфере
- •Переход от биосферы к ноосфере
- •Лекция 13. Эволюционная теория. Учение ч. Дарвина
Характеристика атомного ядра
Масса протона mp = 938,2 МэВ (в ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этого на с2).
Масса электрона mе = 0,511 МэВ. Масса нейтрона mn = 939,5 МэВ. Спин этих частиц равен ½.
В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино ν
n → p + e- + ν
Масса покоя ν = 0. Масса нейтрона > массы протона на 2,5 mе. Разность энергий, связанная с разностью масс частиц в левой и правой частях уравнения, выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.
Большинство химических элементов имеет по несколько разновидностей изотопов, отличающихся значениями массового числа А.
Так, например, водород имеет 3 изотопа
1Н1 – обычный водород, или протий (Z=1, N=0);
1Н2 – тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1);
1Н3 – тритий (Z=1, N=2).
У изотопов ядра имеют одинаковое число протонов Z. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами (18Аr40, 20Ga40). Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A – Z называются изотопами (6С13, 7N14). Существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами.
Радиус ядра определяется формулой
r = 1,3 · 10-13 A1/3 см = 1,3 A1/3 ферми (10-15 м)
(1 ферми = 10-13 см). Объем ядра ~ числу нуклонов в ядре.
В настоящее время известно около 1500 ядер, различных Z либо А, либо и тем и другим. Около ¼ этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Для устойчивых ядер характерно определенное отношение числа нейтронов N к числу протонов Z. У легких ядер оно близко к 1. С увеличением числа нуклонов в ядре N/Z растет, достигая для урана значения 1,6.
Энергия связи ядра
Масса ядра mя всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.
Следовательно, согласно взаимосвязи массы и энергии (E=mc2)
Ecв = c2 {[Zmp + (A – Z)mn] – mя}
Это соотношение можно изменить, заменив mp – массой mн (атома водорода), массу ядра – mа. Тогда
Ecв = c2 {[Zmн + (A – Z)mn] – mа}
Добавили и вычли Zmе (т.к. Zmе входит и в Zmн и в mа ). Пренебрегаем лишь энергией связи электронов с ядром, но она мала.
Энергия связи нуклонов в ядре 2Не4 = 28,4 МэВ. В расчете на один нуклон 7,1 МэВ (для сравнения энергия связи электронов имеет величину, меньшую в 106 раз).
Для ядер с массовыми числами 50-60
нуклоны связаны сильнее всего
(~ 8,7 МэВ). С ростом А уменьшается,
для урана – 7,5 МэВ/нуклон. Поэтому
возможны энергетически два процесса:
-
деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер;
-
слияние (синтез) легких ядер в
одно ядро.
Оба процесса сопровождаются выделением большого количества энергии. Например, деление одного ядра с А=240 (уд. энергия связи 7,5 МэВ) на два ядра с массовыми числами А=120 (уд. энергия связи равна 8,5 МэВ) привело к высвобождению энергии в 240 МэВ.
Чтобы разделиться, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного состояния ядра. Следовательно, ядру требуется дополнительная энергия, которая затем возвращается обратно, приплюсовывается к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации. Она может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захваченных ядрами нейтронов лежит в основе действия реакторов и атомной бомбы.
Для слияния легкие ядра должны подойти друг к другу на близкое расстояние (~ 10-13 см), чему препятствует кулоновское отталкивание между ними. Поэтому ядра должны обладать огромными скоростями (процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией). Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд.