Теорія ядерної фізики, урана. Радіоактивність стаья

УБК642

Міністерство освіти  та науки

Кафедра методики фізики

Університет Драгоманова М.П

Аспірантка

ДаниловаІ.В

Перша теорія  вивчення синхронізації в ядерній фізиці,атомно- молекулярний.

Радіоактивність ,синтез  та розпад урана.

Ключові слова: теорія  атомної ,ядерної фізики ,розподіл Урана.

Мета та завдання дослідити теорію та проаналізувати таку теорію.

Анотація

Проаналізувавши мною та дослідивши  вже створених гіпотез  великих науковців ,що дана ядерна фізика та атомна  на сьгоднішній день видвигається на новий рівень сучасних понять яких можна показати всьому світу створивши свої вражееня ,теорії та ідеї.Дослідивши історію атшмної та ядерної фізики  ми побачимо таким чином ,що Гіпотеза про існування атомів, з яких складається речовина, виникла ще у стародавніх греків за античних часів (Демокріт і Левкіпп, V ст. до н.е.). Але до середини XIX століття вона залишалася тільки одним із можливих варіантів будови Всесвіту.

Ґрунтуючись на дослідних даних, накопичених наукою на той час, можна було б так само успішно пояснювати механічні, теплові та електричні явища на підставі безперервності матерії, щоразу вводячи відповідну гіпотетичну рідину, яка, на думку теоретиків, щільно заповнювала тривимірний евклідів простір класичної фізики.

За допомогою історичних нарисів можна було позувати не тільки власну  думку,але створити певні стратегії.

І тільки на початку ХХ століття атомно-молекулярна гіпотеза будови речовини одержала чітке наукове обґрунтування. Це стало можливим завдяки дослідженням двох геніальних фізиків.

 Одним з них був славнозвісний Альберт Ейнштейн.

Вже існували теорії, створені генієм Дж. Максвелла і Л. Больцмана. Бракувало безпосереднього, підтвердження ідей молекулярно-кінетичної концепції, тобто

цілеспрямованого застосування загальної теорії з чітко усвідомленою метою — для

розв'язання протиріччя дискретне — безперервне. Це протиріччя для фізиків того  часу здавалося непереборним. Існування дуалізму дискретного і безперервного, трактованого у сенсі частинка— хвиля, остаточно було доведено лише після створення квантової механіки.

Та ця історія хронологічно і за змістом виходить за межі нашої розповіді.

Отож, на початку XX століття бракувало таких наслідків молекулярно-кінетичної теорії,

які не можна було б отримати, користуючись лише загальними принципами рівноважної

феноменологічної термодинаміки (власне, термостатики), і водночас доступних перевірці.

Варто згадати, що тоді навіть статистичне підґрунтя теорії теплоти лишалося не досить

добре відомим, хоча основи статистичної механіки вже були розроблені у працях

геніального американця Дж. Гібса (недарма молодий А. Ейнштейн, спираючись на роботи

Больцмана, у 1900—1902 рр. незалежно відтворив частину результатів Гібса).

Наприкінці XIX ст. вчені ставили Больцману цілий ряд запитань у зв'язку із

славнозвісною H-теоремою кінетичної теорії останнього. З її допомогою він нібито

доводив необоротність еволюції системи багатьох частинок при ідеальній оборотності

В сучасному вигляді об'єднує в собі атомну фізику, молекулярну фізику, оптику і лазерну фізику, а також тісно пов'язана з деякими розділами хімії (квантова хімія, кінетика, термохімія тощо). В фізиці колишнього СРСР та й зараз в українській фізиці, як правило, цей розділ фізики поки що не розглядають в сукупності. Знаходиться на перерізі з фізикою плазми, атмосферною фізикою, астрономією, фізикою поверхні, ядерною фізикою та фізикою елементарних частинок, медичною фізикою та радіаційною фізикою.

Моделі та теорії з цього розділу фізики застосовуються в астрономічних дослідженнях фотоіонізованого газу, темних та дифузних молекулярних туманностей, спалахів супернових, раннього стану Всесвіту, комет, пошуку планет, атмосферній спектроскопії планет, іоносфери, сонячної корони; в атмосферних моделях та вимірюваннях; в дослідженнях процесів, що відбуваються в густій плазмі; в хімії горіння; в дослідженнях реакцій на поверхнях; в ядерній фізиці в мюон-каталізованому синтезі; в медичній фізиці (в томографії або для фотонної (рентгенівської, гамма-промені), протонної та іонної терапії ракових захворювань (опромінення).

Основними напрямками досліджень є:

атоми, атомна спектроскопія, високоточні спектри гелію, атоми в сильних полях, ридбергські атоми, мюонні атоми, антиатоми, та інші екзотичні атоми, надтонка структура спектрів та релятивістські поправки, фотоіонізація та автоіонізація атомів, фізичні константи та тести фундаментальної фізики, атомні годинники молекули, антимолекули, екзотичні молекули, молекулярна структура і симетрія, молекулярна динаміка, фотодисоціація та фотоасоціація, розсіювання без хімічних реакцій та з хімічними реакціями, кластери, лазери, інфрачервона та лазерна спектроскопія

класична, квантова та напівкласична теорія розсіювання, адіабатичні та діабатичні процеси розсіювання, еластичні та реактивні зіткнення неполяризованих та спін-поляризованих пучків частинок, будь-які комбінації зіткнень електронів, атомів, іонів, молекул, кластерів, а також усі ці комбіновані зіткнення в лазерних полях, процеси іонізації, переносу заряду та маси, збудження під час розсіювання, процеси іон-іонної, електрон-іонної та багатоелектронної рекомбінації, зіткнення ридбергських атомів

квантова оптика, нелінійна оптика, лазери, мазери, ультрафіолетові лазери та рентгенівські лазери на вільних електронах, когерентні переходи, мультифотонні та інші нелінійні процеси в сильному лазерному полі, лазерне охолодження, оптичні та оптико-магнітні пастки,стани матерії при наднизькому охолодженні, квантовий вироджений газ, ефекти квантованого поля, оптика де Бройля, заплутані атоми та поля, квантова інформація, квантовий комп'ютер, квантові алгоритми та квантова криптографія.

звичний для багатьох з нас шкільний посібник – модель атома, де довкола

ядра по своїх орбітах обертаються електрони, насправді дуже далека від

реальності. Ніяких орбіт у електронів немає, а вони утворюють щось на

зразок хмар різного енергетичного рівня, що оточують ядра, називаються

орбіталями, і при цьому самі знаходяться скрізь і ніде одночасно. У тому

числі, можливо, і десь у сусідній або навіть віддаленій галактиці. Чи просто

ніде. Так можуть поводитися і самі атоми. Принаймні, до моменту виміру

їх параметрів. І це зовсім не жарт і не нісенітниця.

От як описує цю ситуацію відомий популяризатор науки, американський фізик, професор Мітіо Каку:  – «Пояснюючи своїм аспірантам дивність і химерність квантової теорії, я іноді прошу їх розрахувати вірогідність того, що атоми їх тіл раптом розбіжаться і зберуться наново по іншу сторону цегляної стіни. Подібна телепортація  заборонена у ньютонівській фізиці,

але ніяк не суперечить законам

квантової механіки.

Відповідь, проте, полягає в тому, що такої події довелося б чекати до кінця життя Всесвіту і навіть довше. Якби ви за допомогою комп’ютера побудували графік шредінгерової хвилевої функції для власного тіла, то

з’ясувалося б, що вона дуже сильно

нагадує само тіло, але виглядає як би трохи кошлатою, оскільки деякі з

ваших хвиль розповзаються за його межі на всіх напрямках. Деякі з них

досягають навіть віддалених зірок. Тому існує все ж крихітна вірогідність

того, що одного дня ви раптом прокинетеся на далекій чужій планеті». Мітіо Каку, «Фізика неможливого». Мітіо Каку  – американський фізик японського походження (у США приїхав ще його дід), професор. Найбільш відомий як активний популяризатор науки. Можливість того, що електрони знаходяться одночасно у багатьох місцях, є фундаментом усієї хімії. Уся хімія,  – зазначає Мітіо Каку,  – заснована на уявленні про те, що електрони можуть знаходитися одночасно у декількох місцях; саме такими «спільне володіння» електронами, які примудряються одночасно належати двом

атомам, утримуються на місці атоми у молекулах нашого тіла.

Знімок атома водню, зроблений за допомогою квантового мікроскопа.

Число протонів в ядрі (число заряду, також порядковий номер елементу) прийнято позначати через Z, число нейтронів — через N. Їх сума A = Z + N називається масовим числом ядра. Атоми з однаковим Z (тобто атоми одного і того ж елементу), але з різними N називаються ізотопами, з однаковими A, але з різними Z — ізобарами, з однаковими N, але з різними Z — ізотонами.

Основна відмінність між протоном і нейтроном полягає в тому, що протон — заряджена частинка, заряд якої e = 4,803×10−10 од. СГС = 1,602×10−19 Кл. Це елементарний заряд, чисельно рівний заряду електрона. Нейтрон же, як і показує його назва, електрично нейтральний. Спіни протона і нейтрона однакові і рівні спіну електрона, тобто 1/2 (в одиницях зведеної сталої Планка {\displaystyle \hbar }). Маси протона і нейтрона майже однакові: 1836,15 і 1838,68 мас електрона відповідно.

Протон і нейтрон не є елементарними частинками. Вони складаються з двох типів кварків — d-кварка із зарядом —1/3 і u-кварка із зарядом +2/3 від елементарного заряду е. Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка (сумарний заряд +1), а нейтрон з одного u-кварка і двох d-кварків (сумарний заряд — 0). Вільний нейтрон — частинка нестабільна. Він розпадається через 15 хвилин після свого виникнення на протон, електрон і антинейтрино (див. Бета-розпад нейтрона). В ядрі нейтрон знаходиться в глибокій потенційній ямі, тому його розпад може бути заборонений законами збереження.

Методи дослідження та підрозділи

Вивчення будови ядра та його складових елементів можливе тільки за допомогою вивчення ядерних реакцій. Для проведення ядерних реакцій необхідні засоби прискорення й детектування частинок. Тому невід'ємними підрозділами ядерної фізики є фізика прискорювачів і фізика детекторів.

Радіаційна фізика та радіаційне матеріалознавство є міждисциплінарними підрозділами фізики, які вивчають вплив ядерного випромінювання на властивості опромінених речовин і методи модифікації властивостей матеріалів за допомогою опромінення.

Ядерна фізика має принципове значення для багатьох розділів астрофізики (первинний нуклеосинтез, термоядерні реакції в зорях як під час життя на головній послідовності, так і при сході з неї), і, очевидно, для ядерної енергетики.

Відкриття радіоактивності

Докладніше: Радіоактивність

Фотографічна пластинка Беккереля

Фотографічна пластинка Беккереля

Перше явище з області ядерної фізики було відкрите 1896 року Анрі Беккерелем. Це природна радіоактивність солей урану, що виявляється в спонтанному випромінюванні невидимого проміння, здатного викликати іонізацію повітря і почорніння фотоемульсій. Через два роки П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили радіоактивність торію і виділили з солей урану полоній і радій, радіоактивність яких виявилася в мільйони раз сильнішою від радіоактивності урану і торію.

Детальне експериментальне вивчення радіоактивних випромінювань було проведено Резерфордом. Він показав, що радіоактивні випромінювання складаються з трьох типів проміння, названих, відповідно α—, β— і γ-променями. Бета-промені складаються з негативних електронів, альфа-промені — з позитивно заряджених частинок (альфа-частинок, які, як з'ясувалося дещо пізніше, є ядрами гелію-4), гамма-промені аналогічні променям Рентгена (не мають заряду), тільки значно жорсткіші, тобто з меншою довжиною хвилі.

Відкриття атомних ядер: Ядро атома

Схема експерименту, завдяки якому була встановлена будова атому.

Схема експерименту, завдяки якому була встановлена будова атому

У 1911—1913 році Резерфорд разом з Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом проводять експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги, завдяки якому стало зрозуміло, що більша частина маси атому сконцентрована в його ядрі, а електрони обертаються навколо нього. Така модель отримала назву планетарної.

Паралельно з теорією атомного ядра, розвивалася квопублікована робота Макса Планка, присвяченаантова теорія. У 1900 році була  тепловому випромінюванню тіл. Ця робота стала першою, в якій було висловлене припущення про те, що енергія може випромінюватися лише порціями, квантами. Саме квантова теорія дозволила позбутися протиріч у планетарній моделі Резерфорда, згідно з якими електрони мали б дуже швидко впасти на ядра, що призвело до появи у 1913 році атомної моделі Бора.[1]

Відкриття ядерних реакцій

У 1919 році, продовжуючи експерименти з альфа-частинками, Резерфорд відкрив, що при бомбардуванні азоту альфа-частинками, з нього вилітають позитивно заряджені частинки, маса яких майже в 2000 разів більша за масу електронів. Пізніше було показано, що позитивно заряджені частинки вилітають і з інших атомів. Ці частинки отримали назву протони. Ядерна реакція з азотом, що її спостерігав Резерфорд, може бути записана як 14N + α → 17O + p

Ця реакція була першим доведеним випадком перетворення одного елементу на інший. Також, завдяки цим експериментам було доведено, що атомні ядра не є елементарними, а протони були ідентифіковані як їх складові частини.[1]

У 1928 році Георгієм Гамовим, Рональдом Генрі та Едвардом Кондоном була створена модель альфа-розпаду, яка базувалася на припущенні, що альфа-частинка постійно знаходиться всередині ядра, а вірогідність альфа-розпаду визначається вірогідністю того, що альфа-частинка пройде через кулонівський бар'єр. Ця модель пояснювала сильну залежність вірогідності розпаду від енергії альфа-частинки.[1] Таким чином, це була перша якісна теорія, що пояснювала динаміку ядерних трансмутацій.

У 1934 Джон Кокрофт і Ернст Волтон винайшли перший прискорювач заряджених частинок, що дозволило досліджувати ядерні реакції, що запускаються частинками з енергією вищою ніж мають альфа-частинки.[2]

Відкриття нейтронів

Довгий час вважалося, що ядро складається з протонів і електронів.[2] Проте така модель знаходилася в суперечності з експериментальними фактами, щодо спінів і магнітних моментів ядер. У 1930 році, під час опромінення альфа-частинками берилієвої фольги, було зафіксовано випромінювання з великою проникністю, що складалося з нейтральних частинок.[1] У 1932 році Джеймс Чедвік показав, що це випромінювання складається з невідомих раніше частинок, що отримали назву нейтрони. Після цього, Дмитро Іваненко і Вернер Гейзенберг незалежно висловили припущення, що нейтрони є складовими частинами ядер, що пізніше отримало експериментальні підтвердження. Протон і нейтрон отримали загальну назву нуклонів.

Відкриття ядерних сил

Протони мають заряд одного знаку, тому на них діє великі кулонівські сили, що намагаються виштовхнути їх з ядер. Той факт, що, попри це, ядра не розпадаються, показує, що між нуклонами існує й інша, ще сильніша взаємодія, що утримує їх разом. Ця взаємодія отримала назву сильної. У 1934—1937 роках Хідекі Юкава створив мезонну модель ядерних сил, побудована на припущенні про те, що нуклони обмінюються ще не відкритими частинками, які було названо пі-мезони. Модель Юкави підтвердилася у 1949.[2]

Різноманіття ядерних реакцій

В 30-ті роки ядерна фізика активно розвивалася, і було відкрито багато нових процесів, що відбуваються в ядрах: Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі відкривають штучну радіоактивність, Енріко Фермі досліджує ядерні реакції, викликані нейтронами, у 1939 році німецькі фізики Отто Ган і Фріц Штрассман відривають явище поділу ядра урану під дією нейтронів, а у 1940 році Олексій Фльоров і Константин Петржак відкрили спонтанний поділ ядра[2]

Атомна енергетика

Вперше, ядерний реактор, що виробляє енергію за рахунок ланцюгової реакції був продемонстрований у 1942 році групою фізиків під керівництвом Енріко Фермі, і називався «Чиказька дровітня». Коефіцієнт розмноження нейтронів у цьому реакторі дорівнював 1,0006[3] завдяки чому, хоча потужність реактора і зростала експоненційно, час її подвоювання становив близько хвилини. Максимальна потужність реактора склала близько половини вата.[3]

Перша у світі атомна електростанція була побудована в СРСР в 1954 році в місті Обнінськ, Калузької області, і виробляла 5 мегават енергії.

У 2014 році атомні електростанції виробили приблизно 5 % усієї спожитої людством енергії.[4]

Термоядерний синтез

Схема термоядерної реакції літію-6 і дейтерію

Схема термоядерної реакції літію-6 і дейтерію

Ідея про те, що при об'єднанні легких ядер у важкі виділяється енергія була висловлена ще в 1920 році Артуром Едінгтоном, який припустив, що саме цей процес є джерелом енергії для зірок (детально цей механізм був описаний Гансом Бете у 1939),[5] а у 1934 році така реакція (злиття ядер дейтерію з утворенням тритію або гелію-3) була проведена Марком Оліфантом.[6]

Атомні перегони між СРСР і США спонукали активні дослідження ядерного синтезу, як джерела енергії. Військове застосування ці процеси знайшли у водневій бомбі, перша з яких була випробувана у 1952 році.

Проте, на відміну від реакції поділу урану, що вже через кілька років після винайдення атомної бомби була використана в атомних електростанціях, реакція синтезу не використовується на практиці і дотепер. Хоча перший водневий реактор, що працює на реакції синтезу (токамак Т-1) був створений ще у 1950 році в СРСР, протягом наступних десятиліть численні проблеми, пов'язані зі стабільністю та співвідношенням затраченої й отриманої енергії так і не були розв'язані до кінця, попри мільярдні інвестиції.[7]

Наразі, проект ITER, що будується у Франції, може стати першим, що буде мати позитивний енергетичний баланс. Його запуск планується у 2020 році.

Важкі баріони та відкриття кварків

Завдяки використанню прискорювачів, у 1947 році були відкриті так звані «дивні» частинки[2], а пізніше — чарівні, і красиві. Загальна кількість баріонів активно збільшувалася, але при цьому, вони природно об'єднувалися в родини, що дозволило припустити, що ці частинки не є елементарними. Пізніші дослідження підтвердили цю гіпотезу: було продемонстровано, що розподіл щільностей всередині протона не є рівномірним — в ньому виділяється деяка внутрішня структура. Такі структурні елементи отримали назву партонів.

У 1964 році Маррі Гел-Маном і Джорджем Цвейгом була розроблена теорія кварків[2]. Згідно з нею, кожен баріон складається з трьох, а кожен мезон з двох частинок, кожна з яких має заряд 1/3, і спеціальні квантові числа, що були названі ароматом і кольором. Кварки не можуть покинути андрон, (цей стан отримав назву конфайнмент), і тому нецілі заряди ніколи не спостерігаються. Сильна взаємодія в цьому описі виявлялася лише слабким відголосом взаємодії між кварками, так само як Сили Ван дер Ваальса є відголосом електромагнітних.

Таким чином, всі баріони виявлялися комбінаціями п'яти кварків (і їх антикварків). Шостий — t-кварк, через свою короткоживучість не встигає утворити адрони.

Штучні елементи

Отже:

Довгий час вважалося, що уран, 92-й елемент, є найважчим серед наявних, але у 1940 році було синтезовано елемент номер 93, що отримав назву нептуній[8], який був першим штучно синтезованим елементом. В тому ж році було синтезовано плутоній. Протягом наступних років, були синтезовані ще кілька десятків елементів.

На 2016 рік, найважчим з трансуранових елементів є Оганесон, елемент номер 118, синтезований у 2002 році в Дубні.

Список літератури:

Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. — Знання. — Київ : ВТД «Університетська книга», 2005. — 439 с. — ISBN 966-346-020-2.

Каденко І. М., Плюйко В. А. Фізика атомного ядра та частинок. — К. : ВПЦ «Київський університет», 2008. — 414 с.

Ядерна фізика: Підруч. / Л. А. Булавін, В. К. Тартаковський. — 2-е вид., переробл. і доповн. — К. : Знання, 2005. — 439 c. — (Вища освіта XXI ст.).

Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. — М. : Мир, 1986. — 272+336 с.

Вильдермут К., Тан Я. Единая теория ядра. — М. : Мир, 1980. — 504 с.

Престон М. Физика ядра. — М. : Мир, 1964. — 576 с.

Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.

Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М. : Наука, 1980. — 748 с.