Primo capitolo. PROPRIETÀ DEI NUCLEI STABILI
Si è già detto sopra che il nucleo è costituito da protoni e neutroni legati da forze nucleari. Se misuriamo la massa di un nucleo in unità di massa atomica, dovrebbe essere vicina alla massa di un protone moltiplicata per un numero intero chiamato numero di massa. Se la carica di un nucleo è un numero di massa, significa che il nucleo contiene protoni e neutroni. (Il numero di neutroni nel nucleo è solitamente indicato con
Queste proprietà del kernel si riflettono nella notazione simbolica, che verrà utilizzata più avanti nel modulo
dove X è il nome dell'elemento al cui atomo appartiene il nucleo (ad esempio nuclei: elio - , ossigeno - , ferro - uranio
Le principali caratteristiche dei nuclei stabili includono: carica, massa, raggio, momenti meccanici e magnetici, spettro degli stati eccitati, parità e momento di quadrupolo. I nuclei radioattivi (instabili) sono inoltre caratterizzati dalla loro durata di vita, dal tipo di trasformazioni radioattive, dall'energia delle particelle emesse e da una serie di altre proprietà speciali, che saranno discusse di seguito.
Consideriamo innanzitutto le proprietà delle particelle elementari che compongono il nucleo: protone e neutrone.
§ 1. CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DEL PROTONE E DEL NEUTRONE
Peso. In unità di massa dell'elettrone: massa del protone, massa del neutrone.
In unità di massa atomica: massa del protone, massa del neutrone
Nelle unità di energia, la massa a riposo di un protone è la massa a riposo di un neutrone.
Carica elettrica. q è un parametro che caratterizza l'interazione di una particella con un campo elettrico, espresso in unità di carica elettronica dove
Tutte le particelle elementari trasportano una quantità di elettricità pari a 0 oppure La carica di un protone La carica di un neutrone è zero.
Rotazione. Gli spin del protone e del neutrone sono uguali, entrambe le particelle sono fermioni e obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac, e quindi al principio di Pauli.
Momento magnetico. Se sostituiamo la massa del protone nella formula (10), che determina il momento magnetico dell'elettrone al posto della massa dell'elettrone, otteniamo
La quantità si chiama magnetone nucleare. Per analogia con l'elettrone si potrebbe supporre che il momento magnetico di spin del protone sia uguale a Tuttavia, l'esperienza ha dimostrato che il momento magnetico proprio del protone è maggiore del magnetone nucleare: secondo i dati moderni
Inoltre, si è scoperto che anche una particella scarica - un neutrone - ha un momento magnetico diverso da zero e uguale a
La presenza di un momento magnetico in un neutrone e un valore così elevato del momento magnetico in un protone contraddicono le ipotesi sulla natura puntiforme di queste particelle. Numerosi dati sperimentali ottenuti negli ultimi anni indicano che sia il protone che il neutrone hanno una struttura complessa e disomogenea. Al centro del neutrone c'è una carica positiva, e alla periferia c'è una carica negativa di uguale grandezza distribuita nel volume della particella. Ma poiché il momento magnetico è determinato non solo dall'entità della corrente che scorre, ma anche dall'area da essa coperta, i momenti magnetici da essi creati non saranno uguali. Pertanto un neutrone può avere un momento magnetico pur rimanendo generalmente neutro.
Trasformazioni reciproche dei nucleoni. La massa di un neutrone è maggiore dello 0,14% rispetto alla massa di un protone, ovvero 2,5 volte la massa di un elettrone,
Allo stato libero, un neutrone decade in un protone, un elettrone e un antineutrino: la sua vita media è vicina ai 17 minuti.
Un protone è una particella stabile. Tuttavia, all'interno del nucleo può trasformarsi in un neutrone; in questo caso la reazione procede secondo lo schema
La differenza nelle masse delle particelle a sinistra e a destra è compensata dall'energia impartita al protone da altri nucleoni nel nucleo.
Un protone e un neutrone hanno gli stessi giri, quasi le stesse masse e possono trasformarsi l'uno nell'altro. Lo mostreremo più avanti forze nucleari, che agiscono tra queste particelle in coppia, sono anch'esse identiche. Pertanto, sono chiamati con un nome comune: nucleone e dicono che un nucleone può trovarsi in due stati: protone e neutrone, diversi nella loro relazione con il campo elettromagnetico.
Neutroni e protoni interagiscono a causa dell'esistenza di forze nucleari di natura non elettrica. Le forze nucleari devono la loro origine allo scambio di mesoni. Se descriviamo la dipendenza dell'energia potenziale di interazione tra un protone e un neutrone a bassa energia dalla distanza tra loro, allora approssimativamente assomiglierà al grafico mostrato in Fig. 5, a, cioè ha la forma di un pozzo potenziale.
Riso. 5. Dipendenza dell'energia potenziale di interazione dalla distanza tra i nucleoni: a - per coppie neutrone-neutrone o neutrone-protone; b - per una coppia protone-protone
Cos'è un neutrone? Quali sono la sua struttura, proprietà e funzioni? I neutroni sono le particelle più grandi che compongono gli atomi, gli elementi costitutivi di tutta la materia.
Struttura atomica
I neutroni si trovano nel nucleo, una regione densa dell'atomo piena anche di protoni (particelle caricate positivamente). Questi due elementi sono tenuti insieme da una forza chiamata nucleare. I neutroni hanno una carica neutra. La carica positiva del protone è abbinata alla carica negativa dell'elettrone per creare un atomo neutro. Anche se i neutroni nel nucleo non influenzano la carica dell’atomo, hanno comunque molte proprietà che influenzano l’atomo, compreso il livello di radioattività.
Neutroni, isotopi e radioattività
Una particella che si trova nel nucleo di un atomo è un neutrone che è lo 0,2% più grande di un protone. Insieme costituiscono il 99,99% della massa totale dello stesso elemento e possono avere un numero diverso di neutroni. Quando gli scienziati si riferiscono alla massa atomica, intendono la massa atomica media. Ad esempio, il carbonio ha tipicamente 6 neutroni e 6 protoni con una massa atomica di 12, ma a volte si trova con una massa atomica di 13 (6 protoni e 7 neutroni). Esiste anche il carbonio con numero atomico 14, ma è raro. Quindi la massa atomica del carbonio è in media 12.011.
Quando gli atomi hanno un numero diverso di neutroni, vengono chiamati isotopi. Gli scienziati hanno trovato il modo di aggiungere queste particelle al nucleo per creare isotopi più grandi. Ora l'aggiunta di neutroni non influisce sulla carica dell'atomo poiché non hanno carica. Tuttavia, aumentano la radioattività dell'atomo. Ciò può provocare atomi molto instabili che possono scaricare alti livelli di energia.
Qual è il nucleo?
In chimica, il nucleo è il centro carico positivamente di un atomo, costituito da protoni e neutroni. La parola "nocciolo" deriva dal latino nucleo, che è una forma della parola che significa "noce" o "nocciolo". Il termine fu coniato nel 1844 da Michael Faraday per descrivere il centro di un atomo. Le scienze coinvolte nello studio del nucleo, nello studio della sua composizione e delle sue caratteristiche, si chiamano fisica nucleare e chimica nucleare.
Protoni e neutroni sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Gli elettroni sono attratti dal nucleo, ma si muovono così velocemente che la loro rotazione avviene ad una certa distanza dal centro dell'atomo. La carica nucleare con segno più proviene dai protoni, ma cos'è un neutrone? Questa è una particella che non ha carica elettrica. Quasi tutto il peso di un atomo è contenuto nel nucleo, poiché protoni e neutroni hanno molta più massa degli elettroni. Il numero di protoni in un nucleo atomico determina la sua identità come elemento. Il numero di neutroni indica a quale isotopo dell'elemento appartiene l'atomo.
Dimensione del nucleo atomico
Il nucleo è molto più piccolo del diametro complessivo dell'atomo perché gli elettroni possono essere più lontani dal centro. Un atomo di idrogeno è 145.000 volte più grande del suo nucleo, e un atomo di uranio è 23.000 volte più grande del suo centro. Il nucleo dell'idrogeno è il più piccolo perché è costituito da un singolo protone.
Disposizione dei protoni e dei neutroni nel nucleo
Il protone e i neutroni sono solitamente raffigurati come raggruppati insieme e distribuiti uniformemente in sfere. Si tratta tuttavia di una semplificazione della struttura attuale. Ogni nucleone (protone o neutrone) può occupare uno specifico livello energetico e una gamma di posizioni. Sebbene il nucleo possa essere sferico, può anche essere a forma di pera, sferico o discoidale.
I nuclei dei protoni e dei neutroni sono barioni, costituiti da nuclei più piccoli chiamati quark. La forza attrattiva ha un raggio d'azione molto breve, quindi protoni e neutroni devono essere molto vicini tra loro per essere legati. Questa forte attrazione supera la naturale repulsione dei protoni carichi.
Protone, neutrone ed elettrone
Un potente impulso allo sviluppo di una scienza come la fisica nucleare fu la scoperta del neutrone (1932). Dobbiamo ringraziare per questo il fisico inglese che fu allievo di Rutherford. Cos'è un neutrone? Si tratta di una particella instabile che, allo stato libero, può decadere in un protone, un elettrone e un neutrino, la cosiddetta particella neutra senza massa, in soli 15 minuti.
La particella prende il nome perché non ha carica elettrica, è neutra. I neutroni sono estremamente densi. In uno stato isolato, un neutrone avrà una massa di soli 1,67·10 - 27, e se prendi un cucchiaino da tè densamente pieno di neutroni, il pezzo di materia risultante peserà milioni di tonnellate.
Il numero di protoni nel nucleo di un elemento è chiamato numero atomico. Questo numero conferisce a ciascun elemento la sua identità unica. Negli atomi di alcuni elementi, come il carbonio, il numero di protoni nei nuclei è sempre lo stesso, ma il numero di neutroni può variare. Un atomo di un dato elemento con un certo numero di neutroni nel nucleo è chiamato isotopo.
I singoli neutroni sono pericolosi?
Cos'è un neutrone? Questa è una particella che, insieme al protone, è inclusa nel corpo. Tuttavia, a volte possono esistere da sole. Quando i neutroni si trovano all'esterno dei nuclei degli atomi, acquisiscono proprietà potenzialmente pericolose. Quando si muovono ad alta velocità, producono radiazioni mortali. Le cosiddette bombe ai neutroni, note per la loro capacità di uccidere persone e animali, hanno tuttavia effetti minimi sulle strutture fisiche non viventi.
I neutroni sono una parte molto importante dell'atomo. L'elevata densità di queste particelle, combinata con la loro velocità, conferisce loro un potere distruttivo ed un'energia estremi. Di conseguenza, possono alterare o addirittura lacerare i nuclei degli atomi che colpiscono. Sebbene un neutrone abbia una carica elettrica netta neutra, è composto da componenti carichi che si annullano a vicenda rispetto alla carica.
Un neutrone in un atomo è una minuscola particella. Come i protoni, sono troppo piccoli per essere visti anche con un microscopio elettronico, ma sono lì perché è l’unico modo per spiegare il comportamento degli atomi. I neutroni sono molto importanti per la stabilità di un atomo, ma al di fuori del suo centro atomico non possono esistere a lungo e decadono in media in soli 885 secondi (circa 15 minuti).
"Sono stati prodotti i primi cinque gruppi di combustibile MOX per il reattore BN-800 della centrale nucleare di Beloyarsk. Pertanto, la fase di padronanza della produzione del complesso tecnologico del complesso chimico del gas MOX è stata completata", ha riferito il servizio stampa della segnalato complesso chimico gassoso.
Attualmente sono in fase di attuazione misure sviluppate dal Mining Chemical Complex insieme a un certo numero di imprese Rosatom e volte ad aumentare la produttività della produzione al fine di soddisfare il piano annuale di 40 gruppi di combustibile.
L'unità di potenza n. 4 della centrale nucleare di Beloyarsk è necessaria per testare una serie di tecnologie per la chiusura del ciclo del combustibile nucleare basate su reattori “veloci”. In un ciclo così chiuso, a causa della riproduzione ampliata del "combustibile" nucleare, si ritiene che la base combustibile dell'energia nucleare si espanderà in modo significativo e sarà anche possibile ridurre il volume dei rifiuti radioattivi a causa del "burning out". ” di radionuclidi pericolosi. La Russia, come notano gli esperti, è al primo posto nel mondo nella tecnologia di costruzione di reattori a neutroni veloci.
L'unità n. 4 del BNPP con il reattore BN-800 divenne il prototipo delle più potenti unità commerciali "veloci" BN-1200. In precedenza era stato riferito che la decisione di costruire un’unità pilota BN-1200 anche presso la centrale nucleare di Beloyarsk potrebbe essere presa all’inizio degli anni 2020.
Il reattore BN-800 è progettato per utilizzare combustibile MOX, che può utilizzare il plutonio isolato durante il ritrattamento del combustibile nucleare esaurito dai reattori a neutroni termici, che costituiscono la base della moderna energia nucleare. La produzione industriale del combustibile MOX per il BN-800 è stata realizzata presso l'Unione mineraria e chimica con la partecipazione di oltre 20 organizzazioni dell'industria nucleare russa.
Il carico iniziale di combustibile del reattore BN-800 era formato principalmente dal tradizionale combustibile a base di ossido di uranio. Allo stesso tempo, parte dei gruppi di carburante contiene carburante MOX prodotto negli impianti di produzione pilota di altre imprese Rosatom - RIAR (Dimitrovgrad, regione di Ulyanovsk) e Mayak Production Association (ZATO Ozersk, regione di Chelyabinsk). il reattore dovrebbe essere trasferito al combustibile MOX prodotto da GKhK.
Impresa unitaria dello Stato federale "Combinazione mineraria e chimica" (inclusa nella divisione della fase finale del ciclo di vita degli oggetti d'uso energia atomica Rosatom) ha lo status di organizzazione nucleare federale. MCC è un'impresa chiave di Rosatom nella creazione di un complesso tecnologico di ciclo chiuso del combustibile nucleare basato su tecnologie innovative di nuova generazione. Per la prima volta al mondo, il Mining Chemical Complex concentra tre processi ad alta tecnologia contemporaneamente: lo stoccaggio del combustibile nucleare esaurito dai reattori delle centrali nucleari, il suo ritrattamento e la produzione di nuovo combustibile nucleare MOX per reattori a neutroni veloci.