Кафедра естествознания 
 
 
 
 

Реферат 
на тему: "Ядерная физика, катализ и энергетика будущего. Химия экстремальных состояний." 
 

Работу  выполнил:

Работу  проверил: 

Казань 2011

План

 

1. Ядерная физика                                                                                        3-11 
   1.1 История                                                                                                    3 
   1.2 Общие сведения                                                                                   4-5 
   1.3 Атомное ядро                                                                                       5-6 
   1.4 Радиоактивный распад                                                                        7-9

1.5 Ядерная  реакция                                                                                 9-11

1.6 Разделы                                                                                                   11

2. Катализ                                                                                                    12-14 
   2.1 Общие сведения                                                                                     12

2.2 Типы катализа                                                                                  12-13

2.3 Носитель  катализатора                                                                         14

2.4 Химия катализа                                                                                     14

3. Энергетика будущего                                                                            15-16
4. Химия экстремальных состояний                                                         17-20
5. Список используемой литературы                                                            21

 

Ядерная физика 
История

Первое явление  из области ядерной физики было открыто  в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное  изучение радиоактивных излучений  было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения  состоят из трех типов лучей, названных, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа  радиоактивности была понята Резерфордом  после того, как в 1911 г. он предложил  ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения  возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время  предполагалось, что ядро состоит  из протонов и электронов. Однако такая  модель находилась в противоречии с  экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и  Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы  получили общее наименование нуклонов.

 

Общие сведения

Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также ядерные реакции.

Ядра состоят  из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов.

Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но различными N называются — изотопами, с одинаковыми A, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными Z — изотонами.

Основное отличие  между протоном и нейтроном состоит  в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 4,803×10⁻¹⁰ ед. СГСЭ = 1,602×10⁻¹⁹ Кл. Это элементарный заряд, по модулю равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, т. е. 1/2 (в единицах , постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.

Протон и нейтрон  не являются элементарными частицами. Они состоят из двух типов кварков  — d-кварка с зарядом —1/3 и u-кварка с зарядом +2/3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд +1), а нейтрон из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд — 0). Свободный нейтрон — частица нестабильная. Он распадается через 885 секунд после своего возникновения на протон, электрон и антинейтрино. В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещён законами сохранения.

Ядерная физика имеет принципиальное значение для  многих разделов астрофизики и для  ядерной и термоядерной энергетики.

Атомное ядро

Атомное ядро— центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомное ядро состоит  из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Как и любая  квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время  жизни такого состояния исчисляется  годами. Такие возбуждённые состояния  ядер называются ядерными изомерами.

Ядерные силы

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами.

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых  энергия может принимать любые  значения (так называемый непрерывный  спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых  меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике, могут  находиться в состояниях только с  определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным. Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом.

Радиоактивность

Лишь небольшая  часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные  силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление  получило название радиоактивности.

Теории строения атомного ядра

Наиболее известными являются следующие:

• Капельная модель ядра — предложена в 1936 году Нильсом Бором.
• Оболочечная модель ядра — предложена в 30-х годах XX века.
• Обобщённая модель Бора — Моттельсона.
• Кластерная модель ядра
• Модель нуклонных ассоциаций
• Оптическая модель ядра
• Сверхтекучая модель ядра
• Статистическая модель ядра

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад— спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что  радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и  технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких  как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная  радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Энергетические  спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

В настоящее  время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β ⁺ -распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком  Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

,

что означает, что  число распадов за интервал времени  в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов .

В этом математическом выражении  — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Этот закон  считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько  важных следствий, среди которых  формулировки характеристик распада  — среднее время жизни атома и период полураспада.

Специальные виды радиоактивности

• Спонтанное деление
• Кластерная радиоактивность
• Протонная радиоактивность
• Двухпротонная радиоактивность
• Нейтронная радиоактивность 
  

Ядерная реакция

Ядерная реакция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму  взаимодействия ядерные реакции  делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц.