Материал: Мерзликин Г.Я. Основы теории ядерных реакторов. Курс для эксплуатационного персонала АЭС

Тема 1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

1.1. Строение вещества

Все вещества состоят из молекул - частиц, каждая из которых определяет все фи- зико-химические свойства вещества.

Молекулы простых веществ (К, Не, О2, Н2, Мо,...) состоят из одного или несколь-

ких атомов одного химического элемента.

Молекулы сложных веществ (UO2, Н3ВО3, В4С, ...) состоят из атомов нескольких химических элементов.

Молекулы и составляющие их атомы различаются прежде всего по их массе. Для удобства сравнения массы различных молекул (атомов) принято измерять в относительных единицах, называемых атомными единицами массы (а.е.м.).

1 а.е.м. - это 1/12 часть массы изотопа атома углерода-12. В единицах системы СГС (которая чаще всего используется в нейтронно-физических расчетах) 1 а.е.м. эквивалентна 1.660567.10-24 г. Относительная масса молекулы или атома, выраженная в а.е.м., называется молекулярной (или атомной соответственно) массой и обозначается символом А.

Пространственную плотность молекул (атомов) в различных веществах принято оценивать величиной молекулярной (атомной) концентрации, то есть числом молекул (атомов), содержащихся в единице объёма вещества.

Опираясь на следствие закона Авогадро о том, что число молекул в 1 моле веще-

ства - величина постоянная (называемая числом Авогадро NА = 6.0221.1023 моль-1), мо-

лекулярная концентрация любого вещества легко рассчитывается по известным величинам плотности γ и молекулярной массы А вещества по формуле:

В единицах системы СГС размерность вычисленной по формуле (1.1) величины молекулярной концентрации – см -3, то есть молекул в 1 см3.

Таким образом, получается:

а) для простых веществ, каждая молекула которых содержит только один атом, молекулярная концентрация вещества по величине совпадает с атомной концентрацией и вычисляется по формуле (1.1);

б) для сложных веществ, каждая молекула которых содержит m сортов атомов различных химических элементов, молекулярная концентрация также находится по формуле (1.1), в которой молекулярная масса

i=1

находимая по правилам химии, представляет собой сумму масс всех компонентов молекулы вещества; (здесь ni - число атомов каждого компонента в молекуле вещества, а Ai - атомная масса i-го компонента);

Пример. Кристаллическая борная кислота H3BO3 плотностью γ = 1.28 г/см3 будет иметь относительную молекулярную массу:

А = 3Ан+1Ав+3Ао = 3. 1 + 1 .10.81 + 3 .16 = 61.81 а.е.м.,

а, следовательно, её молекулярная концентрация будет равна:

в) атомные концентрации компонентов сложных веществ находятся по общей формуле:

Пример.

Вупомянутом выше примере борной кислоты:

-атомная концентрация водорода Nн= 3N = 3 .1.2471.1022 = 3.7413 .1022 см -3, т.к. в

каждой молекуле борной кислоты содержится по три атома водорода;

-атомная концентрация бора Nв = N = 1.2471 .1022 см -3, т.к. в молекуле борной кислоты содержится только один атом бора;

-атомная концентрация кислорода No= 3N = 3 . 1.2471 .1022 = 3.7413 .1022 см -3, т.к.

вкаждой молекуле борной кислоты по три атома кислорода.

г) атомные концентрации в простых многоатомных веществах, очевидно, можно рассматривать как частность случая (в) и находить по общей формуле (1.3).

Пример. Молекула йода (J2) содержит по два атома химического элемента йода, поэтому атомная концентрация йода в кристаллическом йоде плотностью γ = 4.9 г/см3 будет равна

1.2. Строение и характеристики атомов

Атомы различных химических элементов отличаются, прежде всего по их массе, и атомная масса в какой-то мере определяет периодичность повторения химических свойств различных атомов. Однако массовое число A не является однозначной характеристикой всех свойств атомов любых веществ.

Действительной характеристикой, определяющей физико-химическую индивидуальность атома вещества, является его атомный номер (z) в открытой Д.И.Менделеевым Периодической Системе элементов. Называя атомный номер элемента z, мы фактически называем сам этот элемент, об атомах которого идёт речь.

Например, если z = 6, нам ясно, что речь идет об углероде (С), а если z = 92, это равносильно тому, что элемент назван ураном (U), и т.д.

Поэтому атомный номер элемента z - характеристика, равноценная принятому химическому символу атомов вещества.

Массовое число A и атомный номер z элемента - пара характеристик, пол-

ностью определяющих физико-химическую индивидуальность атомов любого вещества.

Атомная теория раскрывает физический смысл этих характеристик в следующих основных положениях:

а) Все атомы состоят из положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц - электронов.

б) Электрический заряд электрона qe = - 1.6022 .10-19 Кл - наименьший электри-

ческий заряд, обнаруженный экспериментально, и это дало повод назвать его элементарным зарядом, а заряды других частиц и структур на микроуровне - измерять в элементарных зарядах.

в) Атомный номер элемента z - есть не что иное, как суммарное количество

электронов в атоме.

г) Поскольку устойчивый атом любого химического элемента электронейтрален, отрицательный заряд электронных оболочек в атоме нейтрализуется равным по величи-

не положительным зарядом ядра. Поэтому другое представление об атомном номере состоит в том, что атомный номер химического элемента - это положительный за-

ряд ядра его атома, выраженный в величинах элементарных электрических зарядов (то есть в зарядах электрона).

д) Масса покоя одиночного электрона mе = 9.1095.10-28 г, что соответствует при-

близительно 5.486.10-4 а.е.м. Разница в порядках величин масс всего атома (от единицы до сотен а.е.м.) и электронов в нём (от 5.486.10-4 до величин порядка 10-2 а.е.м.), которая, как видно из приведенных цифр, составляет четыре порядка, приводит к выводу о том, что практически вся масса атома (более 99.9%) сосредоточена в его ядре.

е) Размеры атомов, найденные в экспериментах, выполненных по различным методикам, имеют порядок 10-8 см, а размеры ядер атомов - величины порядка 10-13 см.

Эти цифры свидетельствуют о том, что ядро занимает ничтожную часть объёма

атома.

Если под объёмом ядра понимать сферу, в пределах которой эффективно действуют ядерные силы, радиус этой сферы можно оценить по полуэмпирической формуле:

где А, а.е.м. - атомная масса элемента.

1.3. Строение ядер и свойства ядерных сил

1.3.1. Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из частиц, назы-

ваемых нуклонами. Известно два типа нуклонов - протоны и нейтроны.

Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть величине элементарного заряда (электрона).

Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.

*) Строго говоря, массы покоя протонов и нейтронов несколько отличаются: mр= 1.6726 .10-24 г mn= 1.67439 .10-24 г. Об этом различии - речь впереди.

1.3.2. Так как масса ядра практически равна A, заряд ядра - z, а массы протона и нейтрона практически равны, при таких представлениях следует принять как должное,

что ядро устойчивого электронейтрального атома состоит из z протонов и (A - z)

нейтронов. Следовательно, атомный номер элемента - есть не что иное как протонный заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда электрона. Другими словами, z - это число протонов в ядре атома.

1.3.3. Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных сил притяжения, которые, преодолевая куло-

новское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.

1.3.4. Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10-13 см. Отсюда первое свойство ядерных сил (в отличие от кулоновых, гравита-

ционных и других) - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых

расстояниях, сравнимых по величине с размерами самих нуклонов.

Даже не зная точно, что за материальное образование представляет собой протон или нейтрон, можно оценить их эффективные размеры как диаметр сферы, на поверхности которой ядерное притяжение двух соседних протонов уравновешивается их кулоновским отталкиванием. Эксперименты на ускорителях по рассеянию ядрами электронов позволили оценить эффективный радиус нуклона Rн ≈ 1.21 .10-13 см.

1.3.5. Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойство, кратко име-

нуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со все-

ми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непо-

средственными соседями. Число таких соседей у нуклона не может быть больше 12.

1.3.6. Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку считается, что ядерные силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, предполагается, что на расстояниях порядка 10-13 см два протона, два ней-

трона или протон с нейтроном взаимодействуют одинаково (разумеется, речь о ядерных взаимодействия; кулоновы силы отталкивания протонов при этом «выводятся за скобки», то есть не принимаются во внимание).

1.3.7. Протон в свободном состоянии (то есть вне атомных ядер) стабилен.

Нейтрон в свободном состоянии длительно существовать не может, он претерпевает распад на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада T1/2 = 11.2 мин. по схеме:

о1 n → 11p + − e +ν~.

*) Антинейтрино (ν~ ) - электронейтральная частица материи с нулевой массой покоя.

1.3.8. Итак, любое ядро считается полностью индивидуализированным, если известны две его основные характеристики - число протонов z и массовое число A, поскольку разница (A - z) определяет число нейтронов в ядре. Индивидуализированные ядра атомов принято в общем случае называть нуклидами.

Среди множества нуклидов (а их в настоящее время известно более 2000 - естественных и искусственных) есть такие, у которых одна из двух упомянутых характеристик одинакова, а другая – различна по величине.

Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Поскольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Законом Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на символ соответствующего им химического элемента в Периодической Системе.

Например, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов Д.И.Менделеева имеет порядковый номер z = 92.

Изотопы любого химического элемента, как видим, имеют равное число

протонов, но различные числа нейтронов.

Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами.

Изобары, в отличие от изотопов, - нуклиды различных химических элементов.

Примеры: 115 B и 114 C - изобары нуклидов бора и углерода; 37 Li и 47 Be - изобары нуклидов лития и бериллия; 13553 J , 13554 Xe и 13555 Сs - также являются изобарами йода, ксенона и цезия соответственно.

1.3.9. Из формулы (1.4) можно оценить плотность нуклонов в ядрах и массовую плотность ядерного вещества. Если считать ядро сферой с радиусом R и количеством нуклонов в ее объёме, равным A, число нуклонов в единице объёма ядра найдётся как

Nн = A/Vя = 3А/4πR3 = 3А/4π(1.21 .10-13A 1/3)3 = 1.348 .1038 нукл/см3,

а, так как масса одного нуклона равна 1 а.е.м. = 1.66056.10-24 г, то плотность ядерного вещества будет

γяв = Nнmн = 1.348 .1038 .1.66056 .10-24 = 2.238 .1014 г/см3.= 223.8 Мт/см3

Порядок приведенного расчёта свидетельствует о том, что плотность ядерного

вещества одинакова в ядрах всех химических элементов.