Физика

Введение

 

Здравствуйте!

 

Если взять кусок льда и разбить его на две части, потом еще на две и еще – можно дойти до такой частицы, при делении которой мы уже потеряем свойства вещества. Такую частицу назвали молекулой (см. рис. 1).

Рис. 1. Молекула воды

Молекулы, в свою очередь, можно разделить на атомы, которые сохраняют свойства химических элементов. Атомы состоят из электронов и ядра (см. рис. 2).

Рис. 2. Строение атомов

До этого нас не интересовало, из чего состоит само ядро. В этом разделе мы поговорим, как оно устроено.

 

Ядро атома

 

 

Так как атом электронейтрален, в ядре должно быть что-то, что несет положительный заряд. Элементарные положительно заряженные частицы называются протонами. Оказывается, кроме протонов в составе ядра есть электронейтральные частицы – нейтроны. Частицам, из которых состоит ядро, дали общее название – нуклоны (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Частицы, составляющие атомное ядро

Мы знаем, что при электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы отталкиваются (см. рис. 4).

Рис. 4. Взаимодействие заряженных частиц

Но почему же протоны в ядре держатся на таком малом расстоянии и не разлетаются? Может, из-за гравитационного притяжения? Но оно ничтожно мало по сравнению с электрическим отталкиванием (см. рис. 5).

Рис. 5. Гравитационное притяжение и электрическое отталкивание

Значит, есть другое взаимодействие, которое удерживает частицы ядра вместе. Его называют сильным взаимодействием. А силы, возникающие при этом взаимодействии, называют ядерными силами (см. рис. 6).

Рис. 6. Сильное взаимодействие

 

---

Электромагнитное и гравитационное взаимодействие протонов Сравним силы электрического отталкивания и гравитационного притяжения двух протонов, которые находятся на расстоянии  друг от друга (см. рис. 7). Рис. 7. Силы электрического отталкивания и гравитационного притяжения двух протонов Сила электрического взаимодействия по модулю равна: Сила гравитационного взаимодействия по модулю равна: Найдем их отношение: Как видим, квадрат расстояния сократился, значит, отношение этих сил не зависит от расстояния. G, k – известные постоянные, массу и заряд протона тоже можем посмотреть в таблице. Вычислим отношение сил: Как видим, гравитационное притяжение в 37-значное число раз слабее, чем электрическое отталкивание.

---

 

Сильное взаимодействие и ядерные силы Часто понятия «сильное взаимодействие» и «ядерные силы» считают синонимами. Именно так с этими терминами мы и будем обращаться в нашем курсе. Но если вы будете углубленно изучать физику, вы можете столкнуться немного с другим толкованием этих терминов. Так, под «ядерными силами» имеют в виду все виды сил, которые действуют между нуклонами в ядре: электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. А термин «сильное взаимодействие» относится к взаимодействию целой группы элементарных частиц, в которую входят нуклоны. Эта группа частиц называется адронами (см. рис. 8). Рис. 8. Элементарные частицы

---

 

Совместное действие ядерных и электрических сил удерживает нуклоны в составе ядра. Например, протонам не дают разлететься ядерные силы притяжения, а стянуться в одну точку – электрические силы отталкивания (см. рис. 9).

Рис. 9. Действие ядерных и электрических сил

Есть состояние устойчивого равновесия, в котором эти силы компенсируются. Устойчивого – значит, при небольшом отклонении протон будет возвращаться в исходное положение (рис. 9).

При удалении протона от центра ядра ядерные силы, как и кулоновские, будут убывать (см. рис. 10).

Рис. 10. Изменение сил при небольшом отклонении от равновесия

Для кулоновских сил мы знаем, что они обратно пропорциональны квадрату расстояния. Ядерные силы убывают быстрее, поэтому при некотором удалении кулоновское отталкивание пересилит притяжение и протон отлетит от ядра (см. рис. 11).

Рис. 11. Отталкивание преобладает над притяжением

Представьте два шарика, которые соединили пружиной и сжали ее (см. рис. 12).

Рис. 12. Аналогия электрического отталкивания с пружиной

Сила упругости подобно электрической силе будет расталкивать шарики. Свяжем шарики нитью, которая мало растягивается – она держит шарики вместе, как сильное взаимодействие держит протоны. При небольших отклонениях здесь тоже устойчивое равновесие (см. рис. 13).

Рис. 13. Аналогия сильного взаимодействия с нитью

При существенном отдалении протонов действие ядерных сил практически пропадает – так и нить рвется при отдалении шариков, и они расталкиваются пружиной (см. рис. 14).

Рис. 14. Разрыв нити

 

Потенциальный барьер и потенциальная яма

 

 

Для описания поведения протонов вводят понятие потенциальных барьеров. Рассмотрим потенциальную энергию протона в электрическом поле ядра на разных расстояниях от ядра. Потенциальную энергию электрического взаимодействия на большом расстоянии, на котором взаимодействие пренебрежимо мало, будем считать нулевой. По мере приближения к положительно заряженному ядру возрастает сила отталкивания и потенциальная энергия увеличивается (см. рис. 15).

 

Рис. 15. Увеличение потенциальной энергии

А в какой-то момент начинают проявляться силы притяжения и потенциальная энергия немного уменьшается (см. рис. 16).

Рис. 16. Уменьшение потенциальной энергии при дальнейшем сближении

Любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией, такие состояния еще называют энергетически выгодными (см. рис. 17).

Рис. 17. Потенциальная яма

Поэтому если поместить протон в точку на правом склоне барьера (см. рис. 18), он отлетит от ядра.

Рис. 18. Начальное состояние – точка на правом склоне барьера

Если в точку на левом склоне барьера – он притянется к ядру, оказавшись в устойчивом равновесии (см. рис. 19).

Рис. 19. Начальное состояние – точка на левом склоне барьера

Такую область на графике назвали потенциальной ямой. В таком состоянии у протона запасена энергия (см. рис. 20).

Рис. 20. Энергия протона в области потенциальной ямы

Но чтобы протон покинул ядро и его потенциальная энергия перешла в кинетическую, он должен пройти состояние с большей энергией – его назвали потенциальным барьером (см. рис. 21).

Рис. 21. Преодоление потенциального барьера

 

---

Аналогия с настоящей ямой

Мы фактически рассматриваем график зависимости потенциальной энергии электрического взаимодействия от координаты (см. рис. 22). Рис. 22. Зависимость потенциальной энергии от координаты Рассмотрим такой график для потенциальной энергии гравитационного взаимодействия – знакомой нам . Потенциальная энергия  в гравитационном поле пропорциональна высоте . Поэтому график  имеет ту же форму, что и . А график  повторяет очертания настоящей горки (см. рис. 23). Рис. 23. График зависимости h(x) Поместим в ямку на вершине шарик – он окажется в состоянии устойчивого равновесия. Если толкнуть его достаточно сильно, чтобы он перекатился через горку, то он покинет ямку и скатится к подножию горки (см. рис. 24). Рис. 24. Горка повторяет форму графика потенциальной энергии

---

 

При этом его потенциальная энергия перейдет в кинетическую и его скорость увеличится. Можно сделать и наоборот – взять нуклон с большой кинетической энергией и направить его движение в сторону ядра. Тогда он сможет преодолеть барьер и попасть в яму (см. рис. 25).

Рис. 25. Нуклон с большой кинетической энергией преодолевает потенциальный барьер

Так что же получается: можно добавить в ядро несколько нуклонов или удалить их оттуда, то есть превратить атом в любой другой? Это же мечта алхимиков: взять атом свинца, забрать три протона и получить атом золота. Но не все так просто.

Мы рассмотрели самую простую модель, поведение одного протона. Но энергетически выгодным может быть отделение от ядра не одного протона, а, например, ядра гелия – оно состоит из двух протонов и двух нейтронов (см. рис. 26).

Рис. 26. Атом гелия

Потенциальный барьер для перехода в такое состояние может быть меньше, чем потенциальный барьер для отделения одного протона (см. рис. 27).

Рис. 27. Разные потенциальные барьеры

По этой же причине мы скорее разделим каплю воды на две более-менее одинаковые капли, чем отделим от капли воды одну молекулу.

Добавляя или удаляя нуклон из ядра, мы изменяем соотношение электрических и ядерных сил, действующих в этом ядре. И из-за этого может не оказаться устойчивого состояния, в котором может существовать ядро – той потенциальной ямы на графике (см. рис. 28).

Рис. 28. Для распада некоторых нестабильных ядер потенциальный барьер отсутствует

Или потенциальный барьер может быть небольшим (см. рис. 29).

Рис. 29. Небольшой потенциальный барьер

Это значит, что ядро будет неустойчиво и распадется на более мелкие составляющие. Если при этом есть активное излучение, о котором мы будем говорить на уроках данного раздела, то такие ядра называются радиоактивными.

Поэтому мы не можем свободно комбинировать нуклоны и получать из них ядра любых элементов.

Более того, в некоторых случаях, когда мы бы теоретически могли это сделать, овчинка выделки не стоит: усилия, которые нужно затратить для получения новых ядер, превышают выгоду, которая в результате получается. Да, можно добавить нуклоны в водород и получить гелий, но намного проще добыть его из природных газов.

 

Источник энергии

 

 

Какую еще пользу, кроме получения атомов других элементов, может принести превращение ядер?

 

Когда атом находится в состоянии устойчивого равновесия, которое соответствует потенциальной яме, он уже обладает запасом потенциальной энергии. Яма ведь находится на некоторой высоте. Но «скатиться с этой горки» ему мешает потенциальный барьер. Если передать нуклону некоторую энергию  (см. рис. 30), он покинет ядро, его потенциальная энергия перейдет в кинетическую энергию  и мы получим излишек энергии.

Рис. 30. Превращение энергии

То есть превращения ядер можно использовать как источник энергии!

Можно выделить два вида превращения ядер: распад – когда ядро распадается на несколько меньших частей (см. рис. 31); и синтез – когда из нескольких ядер создается одно целое (см. рис. 32).

Рис. 31. Распад

Рис. 32. Синтез

У ядер разных элементов разное соотношение сил притяжения и отталкивания между нуклонами и разные графики потенциальной энергии.

Эксперименты показывают, что излишек энергии при распаде можно получить из тяжелых ядер, таких как уран (см. рис. 33).

Рис. 33. Альфа-распад ядра урана

А в случае с синтезом легких ядер, таких как водород и гелий, потенциальная яма глубже, чем в состоянии до синтеза (см. рис. 34), поэтому при их синтезе будет выделяться энергия.

Рис. 34. Потенциальная яма расположена глубже, чем в состоянии до синтеза

По-другому вычислить, будет ли энергетическая выгода от распада и синтеза ядер, можно с помощью понятия удельной энергии связи. Для каждого элемента экспериментально были вычислены значения этой величины (см. рис. 35).

Рис. 35. Удельная энергия связи для элементов

Чтобы получить энергетическую выгоду, удельная энергия связи элементов до ядерной реакции должна быть меньше, чем после реакции. По графику видно, что выгода будет в двух случаях (см. рис. 36):

1. если при синтезе получилось ядро железа или более легкое;
2. если распался тяжелый элемент, причем его основные осколки тяжелее железа.

Рис. 36. Удельная энергия связи ядер разных элементов

Подробнее об удельной энергии связи и других теоретических аспектах распада и синтеза вы узнаете из уроков данной темы.

 

Цепная реакция

 

 

Если взять тяжелое ядро, передать ему энергию E – то в результате распада получим энергию E_к> E. Но этого избытка энергии (E_к– E) не хватит даже для того, чтобы на долю секунды зажечь лампу. Если взять больше ядер – будет больше энергии. Но получим мы ее единоразово.

 

А вот чтобы постоянно получать энергию от распада ядер, нужно запустить цепную реакцию. Это можно сделать, например, с помощью урана-235. При распаде одного ядра в среднем образуется 2–3 нейтрона.

В цепной реакции при распаде ядра урана-235 образуются нейтроны, которые передают энергию другим ядрам атомов урана-235, те тоже распадаются и образовывают новые нейтроны и т. д. (см. рис. 37).

Рис. 37. Цепная реакция распада ядра урана-235

При этом в результате одного деления образуются 2–3 нейтрона. Каждый провоцирует по одному новому делению, и в результате каждого из них образуется еще по 2–3 нейтрона – ядра будут делиться лавинообразно. Так же один камешек может спровоцировать оползень, если каждый предыдущий камешек будет сталкивать два следующих (см. рис. 38).

Рис. 38. Оползень как цепная реакция

Энергия будет выделяться лавинообразно, и это мешает нам ее использовать – такое неконтролируемое выделение энергии больше подойдет для создания бомбы. Решили эту проблему так: на электростанциях используют замедлители нейтронов. Из-за них часть нейтронов замедляется, и их энергии не хватает для распада нового ядра (см. рис. 39).

Рис. 39. Контроль цепной реакции распада с помощью замедлителей нейтронов

С другой стороны, чтобы протекала цепная ядерная реакция, вылетевший из одного ядра нейтрон должен спровоцировать распад следующего ядра. Понятно, что такое следующее ядро должно быть где-то недалеко от первого, то есть нужна определенная концентрация радиоактивных ядер.

В природе не существует чистого урана-235. В урановой руде содержится лишь меньше одного процента урана-235, остальное – уран-238 (см. рис. 40).

Рис. 40. Урановая руда

В таком образце урана цепная реакция протекать не будет, слишком мало изотопа уран-235. Чтобы увеличить его процентное содержание, уран обогащают. Полученные образцы содержат уже более 2 % урана-235, что позволяет провести цепную реакцию (см. рис. 41).

Рис. 41. Обогащенный уран

Это не единственный случай, когда мы что-то концентрируем и получаем новое важное свойство. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле (см. рис. 42).

Рис. 42. Магнитное поле катушки

Если его согнуть в виде катушки, то получим нечто большее, чем просто сумму магнитных полей каждого витка. Мы получим «концентрированное» магнитное поле, которое можно еще усилить с помощью сердечника, получим новые явления при протекании тока – самоиндукцию, индуктивность.

Так же плавный уклон реки не удобен для получения энергии, но если этот перепад высот резкий, собран в одну точку (см. рис. 43), то можно построить гидроэлектростанцию.

Рис. 43. Использование потенциальной энергии воды

Так и цепная ядерная реакция может протекать, начиная с определенной концентрации.

Ядерный распад уже более 50 лет используется для производства электроэнергии, и с тех пор появилось множество технологических усовершенствований в его использовании. А вот с ядерным синтезом дела обстоят хуже.

Мы синтезируем новый элемент из ядер более легких элементов. Для этого им нужно сообщить достаточно большую энергию (см. рис. 44).

Рис. 44. Высокий потенциальный барьер

В таком состоянии вещество будет иметь температуру 10 миллионов градусов Цельсия! Естественно, никакой материал не выдержит таких температур. Поэтому разогретое вещество удерживают с помощью электромагнитного поля. Но пока постоянной выработки энергии в промышленных масштабах достичь не удалось.

 

Итоги

 

 

Мы обсудили, что химические элементы могут превращаться друг в друга, если меняется состав ядер их атомов. Но оказывается, превращаться друг в друга могут не только атомы, но частицы, из которых они состоят. Например, нейтрон может распасться на электрон и протон. Значит, можно предположить, что и они состоят из более мелких частиц, и с ними мы тоже начнем знакомиться.

 

Эти частицы назвали кварками. По отдельности кварки не могут существовать, но в сочетании дают различные частицы: нуклоны, гипероны, бозоны.

Знания о строении ядра позволили создать новый источник энергии. Знания о строении протонов и нейтронов пока не используются в технологиях. Но это не значит, что эти знания не нужны вам. Ведь, возможно, через 30 лет уже повсеместно будут использоваться квантовые компьютеры. И благодаря этим знаниям вы будете понимать, что их работа – это не магия, а великое достижение научно-технического прогресса.

На этом урок окончен, спасибо за внимание!

 

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика 11 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 400 с.
2. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «nscience.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «hemi.nsu.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «nuclphys.sinp.msu.ru» (Источник)
4. Интернет-портал «nuclphys.sinp.msu.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Из чего состоит ядро атома?
2. Почему протоны в ядре не разлетаются, ведь это одноименно заряженные частицы?
3. Что такое потенциальный барьер и потенциальная яма?
4. Почему на электростанциях используют замедлители нейтронов?