Презентация, доклад к уроку физики Ядерные реакции 9,11 кл

джинна  из   бутылки! В.Высоцкий

Ядерные реакции

Е=mc2

ГОУ СОШ №149’
Калининского р-на СПб
Учитель физики Т. Л. Касимовская

частиц

Распад изотопов, полученных
при ядерных реакциях

излучений сопровождается?
Для каждого из видов радиоактивного распада
а. Что является причиной возникновения данного вида радиоактивного распада
б. В чем проявляется

Радиоактивность естественная

другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или гамма-квантов.

почему для осуществления ядерных реакций частицы разгоняют ускорителями элементарных частиц и ионов, а не используют альфа - частицы, получаемые в процессе радиоактивного распада

Ядерные реакции

105 МэВ (у альфа частицы она порядка 9 МэВ)

2. можно использовать протоны, которые не появляются при радиоактивном распаде
( )

Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

3. можно ускорять частицы, более тяжелые, чем ядра гелия.

Условия,
для протекания ядерной реакции.
Частица должна
1. попасть в сферу действия ядерных сил (на расстояния порядка 10-15м)
2. Обладать достаточной кинетической энергией

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

заряда
числа нуклонов – протонов и нейтронов.
Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции

обнаружению протонов в продуктах распада ядер.

Ядерные реакции

Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

с нейтронами.
Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения.
Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами.
Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями

Ядерные реакции

реакции называется величина, равная разности энергий покоя ядер и частиц до и после реакции . 

где MA и MB – массы исходных продуктов,
MC и MD – массы конечных продуктов реакции.
Величина ΔM называется дефектом масс.

энергии. Как определить, выделяется или поглощается энергия при ядерной реакции, если дано уравнение ядерной реакции?

результате расчета получим положительное значение дефекта масс, энергия выделяется. Если в результате расчета получим отрицательное значение дефекта масс,
энергия поглощается.
Справочные данные берем из таблицы относительных атомных масс некоторых изотопов (табл.13 - задачник Рымкевича).

связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной

1Мэв= 1,6 ·10-13Дж

Q=1,66·10-27кг·9·1016м2/ 1,6 ·10-13Дж·с2= 931 МэВ

Q=931 МэВ переводной коэффициент для расчета энергии в МэВ

Q=-0,00129· 931 МэВ =-1,2 МэВ

Данная реакция идет с поглощением 1,2 МэВ энергии

Р. № 1220 закончить, 1221

и частиц после реакции больше, чем до реакции.
удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов.
ΔM должна быть положительной

-с поглощением энергии (Q < 0),
если Екин. ядер и частиц после реакции меньше, чем до реакции.

Энергетический выход ядерной реакции

α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.
. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии

более тяжелые.

К.

При термоядерных реакциях выделяется весьма большая энергия, превышающая энергию, которая выделяется при делении тяжелых ядер.

Термоядерные реакции

положительно заряженных ядрах. Для слияния ядер водорода (дейтерия)их надо сблизить на расстояние 3•10-15 м. Для этого их кинетическая энергия должна быть равна 0,1 МэВ. Это возможно при Т=2•109 К. Практически по ряду причин температура, необходимая для термоядерных реакций снижается на два порядка и составляет 107 К.

излучения Солнца показал, что в веществе Солнца, как и многих других звезд, имеется до 80% водорода и около 20% гелия. Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. При огромной массе Солнца количество этих газов достаточно велико.

Термоядерные реакции

энергии.
Дейтерий, необходимый для наиболее эффективной реакции содержится в воде морей и океанов(в виде молекул Н2О и D2О). его количества хватит на сотни миллионов лет.
Тритий можно получать в ядерном реакторе в результате облучения жидкого лития(запасы которого огромны) нейтронами:

Термоядерные реакции

отличие от реакций деления тяжелых ядер, в результате термоядерного синтеза не образуются радиоактивные отходы.

Термоядерные реакции

схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p).

энергии 3,5 МэВ уносит 4He, а 14,1 МэВ - нейтрон. В последней реакции основная доля энергии приходится на гамма-излучение.

Реакторы будущего могут использовать энергию синтеза ядер, протекающую по четырем основным схемам с участием дейтерия (D), трития (T), нейтронов (n) и протонов (p).

создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

общества (АХО) академик РАН Юрий Оганесян подтвердил, что физики-ядерщики надеются найти второй остров стабильности химических элементов. Он может лежать очень далеко — вплоть до области элементов с атомным номером около 164, сообщает АХО в своем пресс-релизе.
Элементы с атомным номером (количеством протонов в ядре) выше 92 (трансурановые элементы) имеют сравнительно короткий период полураспада, из-за чего в природе встречаются мало или не встречаются вовсе. Многие искусственно синтезированные сверхтяжелые элементы существуют всего лишь доли секунды.
Согласно одной из гипотез, в трансурановой области периодической таблицы Менделеева существуют так называемые острова стабильности: последовательности элементов, обладающих относительно большим временем жизни. Этой гипотезы придерживаются многие ученые из двух ведущих мировых центров исследования сверхтяжелых элементов: международного Объединенного института ядерного исследований (ОИЯИ; Россия) и Ливерморской национальной лаборатория имени Лоуренса (США).
Исследования недавно синтезированных элементов 113, 114, 115, 116 и 118 (элементы с большим атомным номером пока не синтезированы) частично подтвердили гипотезу об островах стабильности: время жизни элементов с номерами от 110 до 114 заметно больше, чем у соседних элементов, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Ученые работают над синтезом более тяжелых элементов, а также теоретическим поиском второго острова стабильности.
Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, поддержал ранее высказывавшуюся гипотезу, что существует и второй остров стабильности, лежащий очень далеко от первого. Удастся ли его достичь в обозримом будущем — непонятно: по некоторым теориям, остров может лежать в области 164-го элемента: такие тяжелые ядра пока не удается ни синтезировать, ни описать теоретически.

Физики-ядерщики подтвердили предсказание второго острова стабильности
На 235-й национальной встрече Американского химического общества (АХО) академик РАН Юрий Оганесян подтвердил, что физики-ядерщики надеются найти второй остров стабильности химических элементов. Он может лежать очень далеко — вплоть до области элементов с атомным номером около 164, сообщает АХО в своем пресс-релизе.
Элементы с атомным номером (количеством протонов в ядре) выше 92 (трансурановые элементы) имеют сравнительно короткий период полураспада, из-за чего в природе встречаются мало или не встречаются вовсе. Многие искусственно синтезированные сверхтяжелые элементы существуют всего лишь доли секунды.
Согласно одной из гипотез, в трансурановой области периодической таблицы Менделеева существуют так называемые острова стабильности: последовательности элементов, обладающих относительно большим временем жизни. Этой гипотезы придерживаются многие ученые из двух ведущих мировых центров исследования сверхтяжелых элементов: международного Объединенного института ядерного исследований (ОИЯИ; Россия) и Ливерморской национальной лаборатория имени Лоуренса (США).
Исследования недавно синтезированных элементов 113, 114, 115, 116 и 118 (элементы с большим атомным номером пока не синтезированы) частично подтвердили гипотезу об островах стабильности: время жизни элементов с номерами от 110 до 114 заметно больше, чем у соседних элементов, что согласуется с теоретическими предсказаниями. Ученые работают над синтезом более тяжелых элементов, а также теоретическим поиском второго острова стабильности.
Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Флерова, поддержал ранее высказывавшуюся гипотезу, что существует и второй остров стабильности, лежащий очень далеко от первого. Удастся ли его достичь в обозримом будущем — непонятно: по некоторым теориям, остров может лежать в области 164-го элемента: такие тяжелые ядра пока не удается ни синтезировать, ни описать теоретически.

как источник, содержащий в изобилии концентрированную энергию.
Он встречается во многих породах в концентрации 2-4 части на миллион, и, как правило, в земной коре. Также встречается в морской воде, и может быть извлечен из океанов в случае значительного роста цен.
Был открыт в 1789 в минерале, который называется настуран. Был назван в честь планеты Уран, которая была открыта на восемь лет раньше.
Предположительно, уран был образован в сверх новых (super novae) около 6.6 миллиардов лет назад.
На сегодня его радиоактивный распад является основным источником тепла внутри земли, вызывая конвекцию и дрейф континентов, в то время как в солнечной системе такого не происходит.
Температура плавления 1132 С. Химический символ U.

самым тяжелым среди всех природных элементов (водород - самый легкий). Удельный вес урана 18.7. Как и другие элементы, уран встречается в слегка различимых формах, называемых "изотопами". Эти изотопы отличаются друг от друга количеством частиц (нейтронов) в ядрах. "Природный" уран, встречаемый в земной коре, представляет собой смесь в основном двух изотопов: урана-238 (U-238), около 99.3%, и U-235 около 0.7%.

высвобождая много энергии. Поэтому говорят, что он "делящийся", и используется выражение "ядерное деление"Между тем, как все радиоактивные изотопы, он распадается. U-238 распадается очень медленно, его период полураспада такой же как и возраст земли. Это означает, что он имеет низкую радиоактивность, меньшую, чем у многих других изотопов в породах и песке. Тем не менее, он генерирует 0.1 ватт/тонну, и этого достаточно для обеспечения тепла земной коры.

143 нейтронов (92 + 143 = 235). При делении атома U-235 на две части нейтроном высвобождается некоторая энергия в виде тепла, и выбрасывается 2 или 3 дополнительных нейтрона. Если достаточное количество этих вытесненных нейтронов расщепляет ядра других атомов U-235, высвобождая последующие нейтроны, происходит "цепная реакция". Когда этот процесс повторяется снова и снова, миллионы раз, появляется очень большое количество тепла из относительно небольшого количества урана.
Именно этот процесс, с эффектом "сгорания" урана, происходит в ядерном реакторе. Тепло используется для того, чтобы пар производил электричество.

МОРЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ

пролив

радиоактивности

УРАНОВАЯ ВЕРШИНА

нестабильности

пролив

при бомбардировке их нейтронами учеными Отто Ганом и Фрицем Шрассманом.


Атом урана, поглотив нейтрон, возбуждается , деформируется ( ядро вытягивается, ядерные силы ослабевают при увеличениии расстояний между нуклонами) и разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов.

притяжения между нуклонами, приэтом внутренняя энергия ядра увеличивается. При распаде ядра часть внутренней энергии переходит в кинетическую энергию осколков, а затем за счет торможения их во внутреннюю энергию окружающей среды. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии. в окружающую среду.

непрерывно и без каких-либо внешних воздействий испускать невидимое излучение, которое способно проникать сквозь непрозрачные экраны и оказывать ионизационное и фотографическое действия. Свойство самопроизвольного испускания подобного излучения получило название радиоактивности. Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоактивными элементами, а испускаемое ими излучение — радиоактивным излучением. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения. Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучение испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Испуская - и -излучение, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента. В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают -распад — испускание -частиц, и -распад — испускание -частиц. Деление ядер урана. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных реакций в практических целях, если удастся осуществить цепные ядерные реакции. Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. При делении одного ядра урана на два осколка освобождается 2 или 3 нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков, остальная энергия приходится на нейтроны и гамма-кванты. При благоприятных условиях освобождающиеся в первой реакции нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении 3 ядер урана должно освобождаться от 6 до 9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д.

+ p + 4 МэВ. D + T Ю 4He + n + 17,6 МэВ. D + D Ю 3He + n + 3,3 МэВ. D + 3He Ю 4He + p + 18,3 МэВ. Итог: 6D Ю 2 4He + 2p + 2n + 43,2 МэВ

где существует огромное давление и температура достигает 15000000 градусов. В таких условиях происходит синтез ( слияние) ядер водорода и образование ядер другого элемента - гелия. В результате этого процесса, называемого ядерным синтезом, выделяется громадное количество энергии.

тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез – это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие.

является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях).

создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

при сжигании органических топлив - угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200 - 300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли. Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам, производство энергии возрастет к 2050 г примерно в три раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 1021 Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии - органические топлива - придется заменить на другие виды производства энергии.

причине загрязнения окружающей среды, которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут выработаны дешевые природные ресурсы (нынешний способ производства энергии использует атмосферу в качестве помойки, выбрасывая ежедневно 17 млн. тонн углекислого и других газов, сопутствующих сжиганию топлив).

21 века. Предполагается, что будущая энергетика будет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и, в том числе, возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэлектроэнергия, выращивание и сжигание биомассы и ядерная энергия. Доля каждого источника энергии в общем производстве энергии будет определяться структурой потребления энергии и экономической эффективностью каждого из этих источников энергии.

21 века. Предполагается, что будущая энергетика будет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и, в том числе, возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэлектроэнергия, выращивание и сжигание биомассы и ядерная энергия. Доля каждого источника энергии в общем производстве энергии будет определяться структурой потребления энергии и экономической эффективностью каждого из этих источников энергии.

и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за тридцать лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на 30 лет, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течении десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии в течении многих сотен, если не тысяч лет.

годов широкомасштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. Водородная бомба была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако, потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г самая крупная термоядерная установка - Европейский ТОКАМАК (JET) получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течении этих 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе, научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.

энергии в виде кинетической энергии продуктов реакций, q , которая указана в скобках в единицах миллионов электронвольт (МэВ),  В физике плазмы принято мерить энергию в электронвольтах. Один электронвольт это такая энергия, которую приобретет электрон, ускоряясь в разнице потенциалов в один вольт. Т.к. заряд электрона равен q=1.6 ·10 –19  Кл, а энергия электрона, ускоряющегося в электрическом поле равна E=qU, то 1 эВ = 1.6 ·10 –19 Дж = 11600 °К. Две последние реакции играют особую роль в управляемом термоядерном синтезе - они будут использоваться для производства трития, которого практически не существует в природе.

находится внутри кожуха и поэтому не видна. (Photo courtesy of LLNL Laser Programs).
Схема с холраумом является основной схемой сжатия при использовании ионных пучков, которые имеют большой пробег в веществе и следовательно не могут быть использованы для прямого облучения мишени.

Фотография в рентгеновских лучах холраума, освещенного десятью лучами лазера NOVA. Мишень находится внутри кожуха и поэтому не видна. (Photo courtesy of LLNL Laser Programs).
Схема с холраумом является основной схемой сжатия при использовании ионных пучков, которые имеют большой пробег в веществе и следовательно не могут быть использованы для прямого облучения мишени.

для изучения важных физических проблем, связаных с созданием термоядерной плазмы с помощью нагрева электронным пучком и ее удержанием в длинных многопробочных магнитных системах открытого типа. В числе исследуемых вопросов - пучковый нагрев плотной плазмы, многопробочное удержание ионной компоненты плазмы, продольные потери энергии за счет электронной теплопроводности, стеночное удержание плотной плазмы, использование плазмы тяжелых элементов для создания лазеров в ультрафиолетовом диапазоне, исследование эрозии и модификации твердотельных материалов при воздействии мощных плазменных и электронных потоков.

была создана для изучения важных физических проблем, связаных с созданием термоядерной плазмы с помощью нагрева электронным пучком и ее удержанием в длинных многопробочных магнитных системах открытого типа. В числе исследуемых вопросов - пучковый нагрев плотной плазмы, многопробочное удержание ионной компоненты плазмы, продольные потери энергии за счет электронной теплопроводности, стеночное удержание плотной плазмы, использование плазмы тяжелых элементов для создания лазеров в ультрафиолетовом диапазоне, исследование эрозии и модификации твердотельных материалов при воздействии мощных плазменных и электронных потоков.

управляемого термоядерного синтеза. Изобретен Л. Спитцером в 1951 г. Название реактора происходит от латинского stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Модульные магнитные катушки и плазма СТЕЛЛАРАТОРа.

Модуль вакуумной камеры стелларатора Wendelstein 7-X

КАмера, МАгнитные Катушки, или Приспособленное к легкому произношению сокращение от Тороидальная Камера с Магнитным Полем, которые описывают основные элементы этой магнитной ловушки, изобретенной А.Д. Сахаровым в 1950 г. Схема ТОКАМАКа показана на Рис.

поле в токамаке является результирующей суммой магнитных полей:
1. Тороидальные катушки создают продольное магнитное поле вдоль оси тора (оно направлено как плазменный шнур, см. рис.).
2. Ток текущей по плазме создает магнитное поле вокруг себя (оно направлено как тороидальные катушки см. рис.)
В результате суммы этих двух полей получается винтовое магнитное поле, показанное на рисунке.
Однако, как оказалось этого не достаточно. При такой конфигурации на частицы действует сила, направленая по большому радиусу тора, и плазменный шнур разлетелся бы.
3. Что бы подавить эту силу используется магнитное поле создаваемое полоидальными витками - полоидальное магнитное поле, Вр, направленное вдоль малого обхода тора.

центральную линию плазменного тора - магнитную ось. Таким образом, силовые линии магнитного поля образуют в ТОКАМАКе замкнутые, вложенные друг в друга тороидальные магнитные поверхности. Ток в плазме поддерживается вихревым электрическим полем, создаваемым первичной обмоткой индуктора. При этом, плазменный виток играет роль вторичной обмотки. По сути это обычный трансформатор, вторичную обмотку которой представляет плазменный шнур. Очевидно, что индукционное поддержание тока в ТОКАМАКе ограничено запасом потока магнитного поля в первичной обмотке и возможно лишь в течении конечного времени. Кроме тороидальных катушек и первичной обмотки индуктора в ТОКАМАКе должны быть полоидальные обмотки, которые нужны для поддержания равновесия плазмы и контроля ее положения в камере. Токи, текущие в полоидальных катушках создают электромагнитные силы действующие на плазменный ток и таким образом могут изменить ее положение в камере и форму сечения плазменного шнура.