Презентация на тему Атомная и ядерная физика. Лекция 1

план, график курса

Кратко: основы атомной и ядерной

физики:
Атом, ядро, нуклоны,
Хронология открытий

установок, причины и взаимосвязь физических процессов в реакторе, определяющих

принципы проектирования и физического обоснования инженерных решений, выбора материалов.

На простых моделях будут представлены и опробованы основные расчетные методики, применяемые при расчете реактора, критерии для выбора оптимальных параметров.

Одна из задач курса – дать основы для дальнейшего детального изучения особенностей работы реактора, воздействия ядерно-энергетичеких установок на персонал, на население, на экологию, а также – для изучения ядерного топливного цикла.

(и ядерных реакторов в том числе)

лежат сложные физические процессы –
- на уровне ядерных реакций, нуклон-ядерных взаимодействий и превращений,
что (по большому счету) требует сложнейшего математического аппарата и ЭВМ.

Некоторые из этих ядерных процессов
уже изучались в курсах физики
(разделы: атомная и ядерная физика),
но обзор этих сведений необходим.

ядерные реакторы (издания 1984 года и позднее).

И.Х.Ганев - Физика

и расчет реактора

Основы теории и методы расчета ядерных реакторов, Г.Г.Бартоломей и др., под редакцией Г.А.Батя, 1982 г.

В. С.Окунев - Методы расчета реактора, изд. МГТУ

с открытием и детальным изучением явления радиоактивности,

открытого

в ходе целенаправленного исследования строения вещества:
сначала - молекул и атомов,
а затем – ядра, и –
элементарных частиц.

мир состоит из мельчайших элементарных частиц .

Начало – Древняя

Греция (5 – 3 вв. до н.э.)- Демокрит, Эпикур («атом» – т.е. «неделимый»).

С античных времен до 19 века предположения об атомном строении вещества – гипотезы, накопление фактов, обобщений, сведений о простых элементах (H, Fe, Cu).

В 17 в. - Р.Бойль («дым, - как и все тела – падает»)положил атомистику в основу своих химических представлений и объяснил все химические изменения соединением и разъединением атомов.

(«отношение масс двух простых веществ из сложного есть отношение

масс их атомов»), ввел понятие атомного веса.

1811 - А.Авогадро - объяснение закона объемных отношений Ж. Гей-Люссака и ввел представление о молекуле, состоящей из атомов, как наименьшей частице вещества, способной к самостоятельному существованию;

одних и тех же условиях (давление и температура) заключается

одинаковое число молекул».

Т.е.: 1 кмоль любого идеального газа при нормальных условиях
(101 325 Па = 760 мм рт.ст и температуре 0°С)
занимает объем 22,4136 м3.

Число Авогадро: число молекул в одном моле
NA = 6,022045∙ 1023 (моль-1)


Число молекул в одном см3

N = (ρ∙ NA) / A∙ (молекул /см3)

( А – молекулярный вес, г; ρ – плотность, г/ см3 )

молекулы (С.Каниццаро – 1858) были приняты в на съезде

химиков в Карлсруэ:

Молекула – наименьшая частица вещества, которая способна существовать самостоятельно и не может дробиться дальше без потери основных химических свойств данного вещества.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства.

Периодическая зависимость химических свойств элементов от их атомного веса

– от заряда атомных ядер.

Классификация элементов по универсальной системе.

Предугадывание ядерной физики – благодаря этой системе позднее открывались новые элементы (в т.ч. – искусственные), новые свойства (в т.ч. – делимость ядер).

физика -
изучение строения и состояния атомов

(! Атом – не неделимый!)

До этого (30-е гг. I9-го века) М.Фарадей : электролиз, ток в растворе электролита – это упорядоченное движение заряженных частиц («ионов»).

Образование знаменитых научных школ: в Англии (Оксфод, Кембридж) – Дж.Дж.Томсон, Э.Резерфорд (1884 -1896 г.), Франции, в Германии, позднее – в Италии, в России.

Изучение отклонений катодных лучей («трубки Крукса») - в магнитных и электрических полях.

с высоковольтными разрядами в стеклянной трубке.
1853 г. – А.Массон

(Франция) – свечение при низком давлении.
1878 г - У.Крукс (Англия) - При большем разрежении - свечение распадается на слои или исчезает, но светятся стенки трубки (флуоресценция).
У.Крукс: свечение вызвано бомбардировкой стенок некими «катодными» лучами.

Свойства «катодных» лучей:
Исходят из отрицательного электрода - катода («катодные лучи»),
Отрицательный заряд (отклонения магнитом),
Имеют массу (вращение пропеллера)

физика -

1897 г. - открытие электрона (термин: «электрон»),

измерение удельного заряда ( - 1,7588 1011 Кл/кг) -

Опыт Дж.Дж. Томсона: прохождение катодных лучей через систему параллельных металлических пластин (электрическое поле), и катущек (магнитное поле).

Выводы:
Скорость частиц ниже скорости света, есть масса.
Отношение заряда к массе для катодных лучей не зависят от материала источника.

Кл (заряд электрона).

Масса электрона – 1/ 1840 от

массы атома водорода.

Вывод: внутри атома есть электрические заряды

физика -


В результате – первые модели атома:

1902 г.

– первая модель строения атома (У.Томсон = Лорд Кельвин): «положительный заряд равномерно распределен по объему атома, а внутри этого облака - электроны, группирующиеся в устойчивые конфигурации».

1903 г. – У.Томсон - уточнение:
слоистая модель атома, вращение электронных «сфер», возможно – группами (т.е. концентрически расположенными кольцами).

лучами – свечение картона с покрытием из платино-синеродистого бария

в темноте вблизи трубки.

«Х» – лучи («рентгеновское излучение») – большая энергия и большая проникающая способность

Шкала электромагнитного излучения, длина волны, Å (1 Å = 10-10 м)

Видимый спектр

- урановая соль на закрытой фотопластинке

1903 г. - А.Беккерель

и М.Кюри – Нобелевская премия за открытие самопроизвольного распада атомов с испусканием заряженных частиц.

из атомов которых вылетают заряженные частицы

В результате - образуются

новые вещества (новые элементы) 1898 г. – М.Кюри – Торий, Полоний, Радий.

В результате – образуются заряженные атомы (ионы) – легкие и тяжелые

В результате – первое воздействие радиоактивности на человека: 0,1 г Ро из 1 т руды!, А.Беккерель – ожог от робирки с радием в кармане, М.Кюри – лучевой рак крови;

В результате – модель ядра и атома

г. – планетарная модель атома (Э.Резерфорд) – «вокруг тяжелого

заряженного ядра вращаются электроны»

продуктов радиоактивного распада.
Высокая скорость (~ 107 м/с), энергия (~

4,5 – 8 МэВ), заряд (+2)

Э.Резерфорд – (изучение проникающей способности излучения через алюминиевые фольги) - компоненты излучения урана –
α-излучение (сильно поглощаемое),
β-излучение (большая проникающая способность), и
γ-излучение

П. и М.Кюри (1899 г.) - открытие наведенной (искусственной) радиоактивности :
Проветрили накуренную лабораторию – показатели радиации упали.
Вывод: газовые потоки уносят радиоактивные частицы, предметы остаются радиоактивными.

(М.Планк).

1913 г. - Нильс Бор – первая квантовая

теория ядра («постулаты Бора»):

1. Существуют ряд стационарных состояний атома, соответствующие определенным значениям его внутренней энергии;

2. При переходе атома из одного состояния (Е1) в другое (Е2) - излучение с частотой
ν = (Е1 – Е2) / h,
где h – постоянная Планка: h = 6,626 10-24 Дж· с

взаимопревращениям (т.е. «кирпичики» мироздания - не неизменны).

почти каждая элементарная частица (за исключением нескольких нейтральных частиц) имеет свою античастицу.

К началу 21 века открыто более 350 элементарных частиц (вместе с античастицами).
Стабильные частицы:
Фотон,
электронное и мюонное нейтрино,
электрон,
протон
и их античастицы;
Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от ≈103 с (свободный нейтрон)
до 10-22 – 10-24 с для «резонансов».

N(14,7) + α(4, +2) = O(17,8) + p(1,+1) –

- первая искусственная ядерная реакция,
доказательство наличия протонов в ядре

1927 г. – измерение массы протона (У.Хаустон), существование спина (Д.Деннисон);

1932 г. - Дж.Чедвик: доказательство возникновения нейтрона,

1932 – 1935 гг. - Дж.Чедвик , Х. Юкава - измерение массы нейтрона;

- В.Бёте и Г.Беккер - наблюдение сильнопроникающего излучения:
Ве9

+ α = О12 + ? (n)














1932 г. - Дж.Чедвик - доказательство возникновения нейтрона,
измерение массы;

г. – экспериментальное доказательство аннигиляции электронов и позитронов;

1953 г.

- современная терминология и символика - барионы, гипероны, лептоны …

1963 г. – Р.Тейлор и др - гипотеза о существовании «кварков» как «кирпичиков» строения элементарных частиц, исследования кварковой структуры (Нобелевская премия 1990 г.).

нейтрино

1932 г. - Э.Ферми - название «нейтрино»;
-

В.Паули – свойства нейтрино

1933 г. - Э.Ферми и Ф.Перрен – доказательство нулевой массы у нейтрино;

1942 г. – Дж.Аллен – первый косвенный опыт по доказательству существования нейтрино (регистрация ядер отдачи при испускании нейтрино при захвате орбитальных электронов);

1945 г. - Б.Понтекорво: метод детектирования нейтрино в реакции:
37Сl + νe = 37Ar + е-

опытов Г.Гейгера по рассеянию альфа-частиц на тонких фольгах -

теория рассеяния альфа-частиц в веществе,

открытие ядерного ядра,

создание планетарной модели атома.

1911 г. – разработка квантовой модели атома (А.Гааз).

1919 – 1922 гг. – определение размеров ядер атомов;

1927 г. – экспериментальное точное измерение массы протона, моментов и спина

.

– «сильного») типа взаимодействия – «ядерные» силы имеют малую

область действия, но в этой области они в миллионы раз больше электростатических сил в атоме.

1932 г. - предложена нейтронно-протонная модель ядра (В.Гейзенберг, Д.Иваненко)

1933 г. – с особо высокой устойчивостью, с числом нуклонов (нейтронов или протонов): «магические ядра» 2, 8, 20, 50, 82, и 126.

.

теория излучения,
постоянная Планка (h = 6,626 ∙10-34 Дж*с)

1905

г. - А.Эйнштейн:
понятие фотона как кванта электромагнитного поля,
модель квантового характера светового излучения
(фотонная теория света),
объяснение законов фотоэффекта,
закон взаимосвязи массы и энергии.

E = m∙c2