Презентация на тему "Элементы ядерной физики. Общие сведения о радиоактивном излучении"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  1.Строение ядра, его основные характеристики. 2. Ядерные силы. 3. Альфа-, бета- и гамма–распад. Характеристики альфа-, бета- и гамма - излучения. 4. Биологическое действие ионизирующего излучения.5. Ядерные реакции. Ядерный реактор 5. Виды распада ядер. Закон радиоактивного распада 5. Взаимодействие излучения с веществом. Элементы ядерной физики. Общие сведения о радиоактивном излучении. Лекция 26/2 Презентации по ядерной физике http://prezentacija.biz/prezentacii-po-fizike/

• 
  Слайд 2
  

  К 20-м годам XX- атомы и атомные ядра, имеют сложную структуру. К настоящему времени - атомные ядра различных элементов состоят из 2х частиц, протонов и нейтронов. 2

• 
  Слайд 3
  

  Протон– ядро атома водорода. eр~ 1,6–19 Кл. Масса покоя: mp~ 1,67·10–27 кг= 1836me = 1,007 а. е. м. Иногда - в значениях энергии (; ~938,27 МэВ. Спин протона: (фермион)   3

• 
  Слайд 4
  

  Нейтрон - Дж.Чедвик (1932 г.)Масса покоя: ~1,674·10–27 кг = 1,008 а. е. м == 939,56 МэВ.= 938,27МэВ)Не имеет заряда.Спин нейтрона: (фермион) – не смотря на отсутствие заряда, так как в состав входят заряженные кварки.Протоны и нейтроны - нуклоны.

  4

• 
  Слайд 5
  

  Опыт Дж. Чедвика Сильное проникающее излучение( нейтроны) возникает при бомбардировке α-частицами, испускаемыми радиоактивным (полоний).   5

• 
  Слайд 6

  Для характеристики атомных ядер ….

  - зарядовое число или атомный номер, число протоновв ядре, – заряд ядра, - число нейтронов, - массовое число, - ядра химических элементов, – химический символ элемента   В настоящее время известны ядра:   6

• 
  Слайд 7
  

  7

• 
  Слайд 8
  

  Изотопы - ядра одного хим. эл.,отличаются числом нейтронов . У них– разное.Хим. элемент в природе - смесь изотопов.

  Н-р, у водорода 3 изотопа: – протий, обычный водород, 1 протон, – дейтерий, 1 протон + 1 нейтрон, – тритий, 1 протон +2 нейтрона Углерод – 6 изотопов, Кислород-3 изотопа   8

• 
  Слайд 9
  

  Изобары- одинаковые , но разные ,Изотоны- одинаковые , но разные . Изотопы, изобары и изотоны- нуклиды.

  2300 ядер с разными и другими числами   9

• 
  Слайд 10
  

  Радиусы ядер хорошо аппроксимируются выражением….. Плотность числа нуклонов постоянна во внутренней области ядра и уменьшается до нуля вблизи его поверхности. (6) 10

• 
  Слайд 11
  

  Размеры ядра 11

• 
  Слайд 12

  Энергия связи и масса ядер

  Масса ядра меньше суммы масс покоя составляющих нуклонов (- масса ядра) Энергия связи ядра - минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны).   (7) - массы покоя протона и нейтрона   Энергия, выделяющаяся при образовании ядра 12 - дефект масс  

• 
  Слайд 13
  

  Удельная энергия связи… на один нуклон: Для большинства ядер ≈ 8 МэВ Для разрыва химической связи - в 106 раз меньше. Наибольшая для тяжелых ядер   (8) 13

• 
  Слайд 14
  

  х Если ядро имеет наименьшую возможную энергию оно - в основном состоянии. Если ядро имеет энергию оно - в возбужденном состоянии. При – расщепление ядра на составляющие его нуклоны.   14 Аналогично энергии связи электрона в атоме! 14

• 
  Слайд 15
  

  Протоны и нейтроны связаны в ядре ядерными силами. Большая плотность ядерного вещества (~1017 кг/м3). В ядре реализовано самое интенсивное из всех видов – т.н. сильное взаимодействие. ЯС притяжения между нуклонами в сотни раз больше электромагнитных сил отталкивания (протоны в ядре). Ядерные силы (ЯС) 15

• 
  Слайд 16
  

  ЯС: силы притяжения; 2) короткодействующие,радиус действия ~10-15 м; на меньших расстояниях -отталкивание; 3) не зависят от заряда, одинаковы между двумя любыми нуклонами (, имеют неэлектрическую природу; 4). свойственнонасыщение(каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших нуклонов). Полное насыщение ядерных сил достигается у частицы   16

• 
  Слайд 17
  

  5) зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. 6) не являются центральными. 17

• 
  Слайд 18

  Ядерные реакции (ЯР)

  Ядерная реакция-превращение атомных ядер при взаимодействии с протонами, нейтронами, -частицами, ионами и -квантами, или друг с другом. Впервые - Э. Резерфорд,при прохождении -частиц через газ азот.   В результате ЯР - новые радиоактивные изотопы, в том числе, которых нет в естественных условиях 18

• 
  Слайд 19
  

  Наиболее интересны для практики – ЯР при взаимодействии ядер с нейтронами. (лишены заряда, свободно проникают в атомные ядра и вызывают их превращения). Э. Ферми : ЯР вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами движущимися с тепловыми скоростями. Первая ЯР (1932 г.) -при бомбардировке протонами большой энергии, полученных на ускорителе: 19

• 
  Слайд 20
  

  В любой ядерной реакциивыполняются:законы сохранения : электрических зарядов и массовых чисел: Равны до и после реакций 2) энергии, 3) импульса, 4) момента импульса. 20

• 
  Слайд 21
  

  Важный параметр ЯР – энергетический выход ЯР:разность суммы масс покоя продуктов до реакции (и после нее():  

  ЯРмогут быть: экзотермические (с выделением энергии),   эндотермические (с поглощением энергии):   (1) 21

• 
  Слайд 22
  

  Для понимания!!! …... Полная энергия в ЯР сохраняется! , —энергии покоя и кинетические энергии продуктов до и после ЯР. Убыль суммарной энергии покоя = приращению суммарной кинетической энергии и наоборот. Это и есть ЯР с Q > 0 - с выделением энергии, кинетической), ЯР с Q

• 
  Слайд 23

  Порог ядерной реакции

  Эндотермические (с поглощением энергии) ЯР возможныпри ударе ядра частицей с пороговой кинетической энергией (с меньшей ЯР невозможны): (1) (2) 23

• 
  Слайд 24

  Эффективное сечение σ ЯР.

  σ– характеризуетвероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт ЯР []- (1барн = 10–28 м2). σинтерпретируется как площадь сечения ядраX, попадая в которую налетающая частица вызывает ЯР. 24

• 
  Слайд 25
  

  Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: 1) Реакция деления ядер тяжелых элементов 2) Реакция синтеза ядер легких элементов (термоядерный синтез) 25

• 
  Слайд 26
  

  Реакция деления тяжелых ядер - нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

  В 1939 г. О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана (- сейчас основной интерес для энергетики)   Тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию   Реакция в общем виде… ; До 100 изотопов в ходе реакции…   26

• 
  Слайд 27

  Объяснение в капельной модели..

  Избыточная энергия (>энергии активации) при поглощении нейтрона ядром переводит его в возбужденное состояние → движение нуклонов → деформация ядра → ослабление ядерных сил → деление с нейтронным осколком. Если изб. энергия

• 
  Слайд 28
  

  Нейтроны c энергией ~1 МэВ и выше, вызывают деление ядер урана, тория, плутония и др:

  , Эти ядра делятся нейтронами любых энергий, но особенно эффективно медленными нейтронами: Уран в природе - в виде двух изотопов: (99,3 %) и (0,7 %). Ядерное сырье - . Необходим процесс обогащения урана изотопом .   28 (3)

• 
  Слайд 29
  

  Продукты деления ядра нестабильны: в них содержится избыточное число нейтронов. При делении ядра……+2 или 3 нейтрона. Они могут попасть в другие ядра - вызывают их деление. Появятся 4 - 9 нейтронов - новые распады ядер и т. д. Лавинообразный процесс деления ядер - цепная реакция. Для ЦР - коэффициент размножения нейтронов д.б.   29

• 
  Слайд 30
  

  ЦР в уране с повышенным содержанием развивается, когда масса урана превосходит критическую массу. В небольших кусках большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого - 50 кг. ~250 г- применение замедлителей нейтронов (н-р, тяжелая вода графит) и оболочки из , которая отражает нейтроны.   30

• 
  Слайд 31
  

  31

• 
  Слайд 32
  

  ЦР: управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы - неуправляемая реакция. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней или (плутоний) делятся на две удаленные части с массами ниже критических. С помощью обычного взрыва массы сближаются   При полном делении всех ядер в 1 г, выделяется энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.   32

• 
  Слайд 33
  

  Ядерный (или атомный) реактор - устройство, в котором поддерживается управляемая ЦР. Это тепловая машина.Выделение тепла -за счет экзотермической реакции деления ядер. 1 МВт мощности - 3·1016актов деления ядер в секунду.Первый ядерный реактор был построен в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми. В СССР - в 1946 г.- под руководством И. В. Курчатова.

  33

• 
  Слайд 34
  

  Активная зона - основная часть реактора, в ней протекает ЦР и выделяется энергия. Объем АЗ - от 0,0n литра до n10м3(в больших тепловых реакторах). Активная зона реактора на тепловых нейтронах (с энергией 0,0n эВ) состоит из: ядерного топлива (, даже слабо обогащ.), замедлителя (вода, графит, теплоносителя (н-р, вода, ….. для отвода тепла на парогенератор…. ….пар…...на турбину….электроэнергия), конструкционных материалов с малым сечением захвата нейтронов и др).   34

• 
  Слайд 35
  

  35 Замедлитель: для снижения энергии вторичных и т.д. быстрых нейтронов до тепловых, т. к. именно они эффективно продолжат взаимодействие с .  

• 
  Слайд 36
  

  Управление реактором - при помощи регулирующих стержней, содержащих или. (- коэффициент размножения нейтронов)   При выдвинутых из АЗ стержнях k> 1. При полностью вдвинутых стержнях k

• 
  Слайд 37
  

  Модели ядерных реакторов : - 37 Гомогенные реакторы(в АЗ - смесь ядерного топлива и замедлителя. Гетерогенные реакторы – вАЗ замедлитель, в который помещаются кассеты с ядерным топливом - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Энергия выделяется в ТВЭЛах.

• 
  Слайд 38
  

  Реакторы типа ВВРд (PWR)-водоводянойреактор (строится в Беларуси) 38

• 
  Слайд 39

  Сборка гетерогенного реактора

  39 В гетерогенном реакторе ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов

• 
  Слайд 40

  ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

  1.Радиоактивность атомных ядер. 2.Виды распада ядер. Закон радиоактивного распада. 3.Взаимодействие излучения с веществом. 4. Дозы и биологическое действие ионизирующего излучения

• 
  Слайд 41
  

  Радиоактивность - способность нестабильных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием радиоактивного излучения. Естественная радиоактивность- у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность – у изотопов, полученных в результате ЯР. Оба явления подчиняется одним и тем же законам.

• 
  Слайд 42
  

  Впервые А. Беккерель (1896 г.) обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, проникающее через непрозрачные для света преграды и вызывают почернение фотоэмульсии. М. и П. Кюри (1898 г. ) обнаружили радиоактивность тория и открыли 2 новых радиоактивных элемента – полоний и радий. Э.Резерфорд, его ученики и др. далее исследовали природу радиоактивных излучений ……

• 
  Слайд 43
  

  …..радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные….. -, - и -излучения   В магнитном поле: лучи отклоняются в противоположных направлениях, причем -лучи - больше. -лучи не отклоняются.   К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.

• 
  Слайд 44
  

  Материнское ядро– испытывает радиоактивный распад. Дочернее ядро - возникающее, как правило, возбужденное, его переход в основное состояние происходит с испусканием -фотона  

• 
  Слайд 45

  Основные типы радиоактивностиАльфа-распад

  Альфа-частицы (- поток ядер гелия . Распад протекает по схеме:   —материнское ядра,— дочернее, возможная избыточная энергия   При -распаде массовое число А дочернего ядра уменьшается на 4, а зарядовое число Z - на 2   Например:

• 
  Слайд 46
  

  -частицы. Их кинетическая энергия-- несколько МэВ- избыток энергии покоя материнского ядра над суммой энергий покоя дочернего ядра и -частицы, Пробег в воздухе при н.у. -- несколько см -частицы м.б с дискретными значениями энергий - ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. Дочернее ядро - в возбужденном состоянии → переход в основное состояние с испусканием -кванта.

• 
  Слайд 47
  

  Закономерности радиоактивном распада носят вероятностный характер и выполняются тем точнее, чем больше число радиоактивных ядер. В теории -распада → внутри материнского ядра может «образоваться» -частица. «Дочернее ядро» - еще в материнском ядре.   Основной закон радиоактивного распада

• 
  Слайд 48
  

  Пусть ядра распадаются независимо друг от друга. - постоянная распада - вероятность распада ядра в единицу времени. Смысл из нестабильных ядер в единицу времени распадается в среднем ядер. К моменту времени число радиоактивных ядер уменьшится на(1)Проинтегрируем (1), считая, что не зависит от времени.

• 
  Слайд 49
  

  — число нераспавшихся ядер в момент времени t. — числонераспавшихся при (2) - Закон радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер убывает с течением времени по экспоненциальному закону.       (2) Числораспавшихся ядер за время t: )   (3)

• 
  Слайд 50

  Среднее время жизни материнского ядра

  Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: Ось — время, ось— количество нераспавшихся ядер (или м.б.) скорость распада в единицу времени.   (4) (2) 5)  

• 
  Слайд 51
  

  Период полураспадавремя, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.  

  (4)

• 
  Слайд 52
  
• 
  Слайд 53
  
• 
  Слайд 54
  

  …это - число распадов, происходящих в нем в единицу времени. Интенсивность распада в радиоактивном препарате, характеризуется активностью   (3) (4) - среднее время жизни материнского ядра  

• 
  Слайд 55
  

  Единица активности (СИ) - беккерель (Бк), один распад в секунду. Внесистемная единица - кюри(Кu), активность 1 г изотопа радия (1 Кu =3,7*1010 Бк). Удельная активность- активность единицы массы радиоактивного препарата:  

• 
  Слайд 56

  Бета-распад( распад)  

  Самопроизвольный процесс, внутриядерное превращение нейтрона в протон, или протона в нейтрон, а также свободного нейтрона в протон. -распадреализуется путем испускания: а) электрона б) позитрона и к ним + электронные антинейтрино (а) и нейтрино (б)   в) захватом электрона из К- оболочки атома.

• 
  Слайд 57

  Три разновидностираспада  

  1). Электронный- распад, ядро испускает электрон и зарядовое числоядра: ; 2). Позитронный- распад, ядро испускает позитрон и зарядовое число ядра: ; 3). К - захват, ядро захватывает один электрон из изК-оболочкиатома и зарядовое число ядра: ; На пустое место в К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К - захват всегда сопровождается характеристическим рентегновскимизлучением.  

• 
  Слайд 58
  

  Электрон: и массовое число , чтобы выполнить законы сохранение заряда и числа нуклонов в про­цессе распада.   В основе электронного - распада - превращение в ядре нейтрона в протон:   Электронный- распад        

• 
  Слайд 59
  

  Дочернее ядро при -распаде может быть в возбужденном состоянии. При переходе ядра в основное - испускается g-квант, аналогично– распаду.   Тип нейтрино определяется заряженной частицей, с которой оно рождается и с которой взаимодействует. -распад - испускание электронного антинейтрино.  

• 
  Слайд 60
  

  2. Позитронный-распад.Позитрон: и массовое число Ядро испускает позитрон, в результате чего его . Происходит по схеме…..   В основе позитронного -распада лежит превращение в ядре протона в нейтрон :      

• 
  Слайд 61
  

  Позитронный - распад сопровождается испусканием позитрона и нейтрино, - античастиц, по отношению к частицамв электронном - распаде.  

• 
  Слайд 62
  

  К-захват При захвате ядром электрона (с электронной К-оболочки) происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон, что сопровождается испусканием нейтрино:  

• 
  Слайд 63

  Гамма-излучение (g-излучение)

  Коротковолновое эл.магн. излучение, испускаемое ядрами при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Ядро - квантовая система с дискретным набором энергетических уровней, потому спектр -излучения - дискретен. Энергия -квантов испускаемых различными ядрами: 10 кэВ ≤ ≤ 5 МэВ.   Длина волны:2*10-13 м ≤ ≤ 10-10 м.  

• 
  Слайд 64
  

  Испускание-излучения- внутриядерный процесс. -излучение сопровождает- и -распады ядер, при переходе дочернего ядра из возбужденного в основное состояние Среднее время жизни ядра в возбужденном состоянии различно для разных ядер 10-15с ≤ ≤ 10-7 с. За это время ядро переходит на более низкий энергетический уровень, испуская -излучение.  

• 
  Слайд 65

  Взаимодействие излучения (-) с веществом –  

  Ионизирующее излучение (ИИ) или радиация – поток частиц или квантов ЭлМаг – излучения, которое при взаимодействии с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул: (это потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов, частиц и др. заряженных частиц, а также нейтронов, рентгеновское и гамма-излучение.  

• 
  Слайд 66
  

  1) Ядерные реакции активно происходят в веществе при взаимодействии с нейтронами, и иногда – с -частицами. Для других типов ИИ - ядерные реакций в веществе маловероятны. В этом случаеэнергия ИИ расходуется на взаимодействие с электронными оболочками атомов вещества

  Характер взаимодействия излучения с веществом зависит от: его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества.

• 
  Слайд 67
  

  Упругое рассеяние частиц ИИ– процесс столкновения частиц ……меняются только их импульсы, а внутреннее состояния остаются неизменным. Неупругое рассеяние частиц ИИ приводит к изменению их внутреннего состояния, превращению в другие частицы или дополнительному рождению новых частиц.

• 
  Слайд 68
  

  Пробег R- минимальная толщина в-ва в направлении скорости частиц ИИ до их остановки или полного поглощения в-вом. Пробег-частиц- очень мал: сотые доли - в биологических средах; 2,5 - 8 - в воздухе; несколько мкм - в живой ткани. -частицы приводят к большей линейной плотности ионизации. Вдоль их короткого пути - большое число ионов.  

• 
  Слайд 69
  

  -частицы многократно отклоняются от первоначального направления. В в- ве преобладают эффекты их рассеяния. Пробег в воздухе – несколько , в тканях — нескольких . Энергия –частиц- до 3 МэВ. Средняя энергия = –частицы с полностью поглощаются слоем толщиной При взаимодействии с в- вом - ионизация или возбуждение его атомов. Их поглощение в-вом сопровождается испусканием неядерного-излучения.   - излучение - поток электронов и позитронов, испускаемых ядром или электронной оболочкой, скорость  

• 
  Слайд 70
  

  излучение (–кванты)взаимодействует с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам,в результате чего наблюдаются: фотоэффект(характеристическое -излучение эффект Комптона( возникающие быстрые электроны отдачи производят ионизацию атомов средырассеянные g-кванты с уменьшенной энергией. рождение электронно-позитронных пар основной результат при больших энергиях -квантов.  

• 
  Слайд 71
  

  Пробегиg–квантов и нейтронов в воздухе - сотни метров, в ТТ – десятки см и даже метры. излучение - наиболее проникающее ИИ, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.  

• 
  Слайд 72
  

  -частицы - легко остановить листом бумаги. -излучение до 1 МэВ -- пластины толщиной в несколько . - излучение - эффективны тяжёлые элементы (свинец и т. д.), поглощают МэВ-ные фотоны при толщине несколько

  Проникающая способность всех видов ИИ зависит от энергии частиц или квантов.

• 
  Слайд 73

  Дозы и биологическое действие ионизирующего излучения

  Доза поглощения - энергия ИИ, которая поглощается при прохождении через единицу массы вещества. СИ -1 Грей (Гр) → 1кг вещества поглощает 1 Дж энергии излучения. 1 Рад = 10-2 Гр

• 
  Слайд 74
  

  Экспозиционная доза– для характеристики - иg-излучения- - заряд ионов одного знака, образующихся в единице массы сухого воздуха под их действием   СИ - Кл/кг. Внесистемная единица - рентген (Р). 1Р = Кл / кг; М.б. использована для расчета поглощенной дозы.  

• 
  Слайд 75
  

  В дозиметрии - сравнивают эффекты, вызванные различными ИИ,с эффектом от или – излучения.

  Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на коэффициент качества данного излучения. Коэффициент качества излучения показывает во сколько раз эффективность действия данного вида излучения больше, чем - или g-излучения. Определяется из опыта. Зависит от вида излучения, и энергии частиц.   СИ - Дж/кг, зиверт (Зв).

• 
  Слайд 76
  

  Коэффициент качества излучения Минимальная летальная доза для человека - 6 Зв за один раз.

• 
  Слайд 77
  

  Эффективная эквивалентная доза- для оценки ущерба здоровью человека при неравномерном облучении тела, отдельных его органов с учетом их радиочувствительности.

  – коэффициент риска для отдельного органа при облучении всего тела одинаковой   Костный мозг, толстый кишечник, легкие, желудок - 0,12 Мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод, щитовидная железа - 0,05 Кожа, клетки костных поверхностей - 0,01 Остальное - 0,05