Нейтрон (лат. neuter – ни тот, ни другой) – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой немного больше массы протона. Масса нейтрона m n =939,5731(27) Мэв/с 2 =1,008664967 а.е.м . =1,675 10 -27 кг . Электрический заряд =0. Спин =1/2, нейтрон подчиняется статистике Ферми. Внутренняя четность положительна. Изотопический спин Т=1/2. Третья проекция изоспина Т 3 = -1/2. Магнитный момент = -1,9130 . Энергия связи в ядре энергия покоя Е 0 = m n c 2 = 939,5 Мэв . Свободный нейтрон распадается с периодом полураспада Т 1/2 = 11 мин по каналу за счет слабого взаимодействия. В связанном состоянии (в ядре) нейтрон живет вечно. «Исключительное положение нейтрона в ядерной физике, подобно положению электрона в электронике». Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон любой энергии легко проникает в ядро, и вызывает разнообразные ядерные превращения.

Примерная классификация нейтронов по энергиям приведена в табл.1.3

Реакции под действием нейтронов многочисленны: (n, γ ), (n,p ), (n,n’ ), (n, α), (n ,2n ), (n,f ).

Реакции радиационного захвата(n, γ ) нейтрона с последующим испусканием γ –кванта идут на медленных нейтронах с энергией от 0÷500 кэв .

Пример: Мэв .

Упругое рассеяние нейтронов (n, n ) широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом ядер отдачи в трековых методах и для замедления нейтронов.

При неупругом рассеянии нейтронов (n,n’ ) происходит захват нейтрона с образованием составного ядра, которое распадается, выбрасывая нейтрон с энергией меньшей, чем имел первоначальный нейтрон. Неупругое рассеяние нейтронов возможно, если энергия нейтрона в раз превышает энергию первого возбужденного состояния ядра мишени. Неупругое рассеяние - пороговый процесс.

Нейтронная реакция с образованием протонов (n,p ) происходит под действием быстрых нейтронов с энергиями 0,5÷10 мэв. Наиболее важными являются реакции получения изотопа трития из гелия-3:

Мэв с сечением σ тепл = 5400 барн ,

и регистрация нейтронов методом фотоэмульсий:

0,63 Мэв с сечением σ тепл = 1,75 барн .

Нейтронные реакции (n, α) с образованием α-частиц эффективно протекают на нейтронах с энергией 0,5÷10 Мэв. Иногда реакции идут на тепловых нейтронах: реакция выработки трития в термоядерных устройствах.

Глава первая. СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ЯДЕР

Выше уже было сказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число называемое массовым числом. Если заряд ядра а массовое число то это означает, что в состав ядра входит протонов и нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через

Эти свойства ядра отражены в символических обозначениях, которые будут использованы в дальнейшем в виде

где X - название элемента, атому которого принадлежит ядро (например, ядра: гелия - , кислорода - , железа - урана

К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: заряд, массу, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбужденных состояний, четность и квадрупольный момент. Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и рядом других специальных свойств, о которых будет сказано далее.

Прежде всего рассмотрим свойства элементарных частиц, из которых состоит ядро: протона и нейтрона.

§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА

Масса. В единицах массы электрона: масса протона масса нейтрона .

В атомных единицах массы: масса протона масса нейтрона

В энергетических единицах масса покоя протона масса покоя нейтрона

Электрический заряд. q - параметр, характеризующий взаимодействие частицы с электрическим полем, выражается в единицах заряда электрона где

Все элементарные частицы несут количество электричества, равное либо 0, либо Заряд протона Заряд нейтрона равен нулю.

Спин. Спины протона и нейтрона равны Обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака, а следовательно, и принципу Паули.

Магнитный момент. Если подставить в формулу (10), определяющую магнитный момент электрона вместо массы электрона массу протона, получим

Величина называется ядерным магнитоном. Можно было предположить по аналогии с электроном, что спиновый магнитный момент протона равен Однако опыт показал, что собственный магнитный момент протона больше ядерного магнетона: по современным данным

Кроме того, оказалось, что незаряженная частица - нейтрон - также имеет магнитный момент, отличный от нуля и равный

Наличие магнитного момента у нейтрона и столь большое значение магнитного момента у протона противоречат предположениям о точечности этих частиц. Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, свидетельствует о том, что и протон и нейтрон обладают сложной неоднородной структурой. В центре нейтрона при этом находится положительный заряд, а на периферии равный ему по величине распределенный в объеме частицы отрицательный заряд. Но поскольку магнитный момент определяется не только величиной обтекающего тока, но и охватываемой им площадью, то создаваемые ими магнитные моменты не будут равны. Поэтому нейтрон может обладать магнитным моментом, оставаясь в целом нейтральным.

Взаимные превращения нуклонов. Масса нейтрона больше массы протона на 0,14%, или на 2,5 массы электрона,

В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: Среднее время жизни его близко к 17 мин.

Протон - частица стабильная. Однако внутри ядра он может превращаться в нейтрон; при этом реакция идет по схеме

Разница в массах частиц, стоящих слева и справа, компенсируется за счет энергии, сообщаемой протону другими нуклонами ядра.

Протон и нейтрон имеют одинаковые спины, почти одинаковые массы и могут превращаться друг в друга. В дальнейшем будет показано, что и ядерные силы, действующие между этими частицами попарно, тоже одинаковы. Поэтому их называют общим наименованием - нуклон и говорят, что нуклон может находиться в двух состояниях: протон и нейтрон, отличающихся своим отношением к электромагнитному полю.

Нейтроны и протоны взаимодействуют благодаря существованию ядерных сил, имеющих неэлектрическую природу. Своим происхождением ядерные силы обязаны обмену мезонами. Если изобразить зависимость потенциальной энергии взаимодействия протона и нейтрона малых энергий от расстояния между ними то приближенно она будет иметь вид графика, представленного на рис. 5, а, т. е. имеет форму потенциальной ямы.

Рис. 5. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между нуклонами: а - для пар нейтрон - нейтрон или нейтрон - протон; б - для пары протон - протон

"Выпущены первые пять тепловыделяющих сборок ТВС МОКС-топлива для реактора БН-800 Белоярской АЭС. Тем самым завершён этап освоения производства технологического комплекса МОКС ГХК", - сообщила пресс-служба ГХК.

Сейчас реализуются мероприятия, разработанные ГХК совместно с рядом предприятий Росатома, и направленные на повышение производительности производства, чтобы выполнить годовой план - 40 топливных сборок.

Энергоблок №4 Белоярской АЭС необходим для отработки ряда технологий замыкания ядерного топливного цикла на базе "быстрых" реакторов. В таком замкнутом цикле за счет расширенного воспроизводства ядерного "горючего", как считается, существенно расширится топливная база атомной энергетики, а также появится возможность уменьшить объемы радиоактивных отходов благодаря "выжиганию" опасных радионуклидов. Россия, как отмечают эксперты, занимает первое место в мире в технологиях строительства реакторов на быстрых нейтронах.

Блок №4 БАЭС с реактором БН-800 стал прототипом более мощных коммерческих "быстрых" энергоблоков БН-1200. Ранее сообщалось, что решение о строительстве пилотного блока БН-1200 также на Белоярской АЭС может быть принято в начале 2020-х годов.

Реактор БН-800 рассчитан на использование в нем МОКС-топлива, в котором можно применять плутоний, выделенный в процессе переработки отработавшего ядерного топлива реакторов на тепловых нейтронах, составляющих основу современной атомной энергетики. Промышленное производство МОКС-топлива для БН-800 было построено на ГХК с участием более 20 организаций российской атомной отрасли.

Начальная топливная загрузка реактора БН-800 была сформирована в основном из традиционного, уранового оксидного топлива. При этом часть топливных сборок содержит МОКС-топливо, изготовленное на опытных производствах других предприятий Росатома - НИИАР (Димитровград, Ульяновская область) и "Производственного объединения "Маяк" (ЗАТО Озерск, Челябинская область). Со временем реактор БН-800 должен быть переведен на МОКС-топливо производства ГХК.

Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (входит в дивизион заключительной стадии жизненного цикла объектов использования атомной энергии Росатома) имеет статус федеральной ядерной организации. ГХК - ключевое предприятие Росатома по созданию технологического комплекса замкнутого ядерного топливного цикла на основе инновационных технологий нового поколения. На ГХК впервые в мире сосредоточены сразу три высокотехнологичных передела - хранение отработавшего ядерного топлива реакторов АЭС, его переработка и производство нового ядерного МОКС-топлива для реакторов на быстрых нейтронах.

4.1. Состав атомов

Слово " атом" переводится с древнегреческого языка как " неделимый" . Так и предполагалось почти до конца XIX века. В 1911 г. Э. Резерфорд обнаружил, что в атоме существует положительно заряженное ядро . Позже было доказано, что оно окружено электронной оболочкой .

Таким образом, атом представляет собой материальную систему, состоящую из ядра и электронной оболочки.
Атомы очень маленькие – так, по толщине бумажного листа укладываются сотни тысяч атомов. Размеры атомных ядер – еще в сто тысяч раз меньше размеров атомов.
Ядра атомов заряжены положительно, но состоят они не только из протонов. Ядра содержат еще и нейтральные частицы, открытые в 1932 году и названные нейтронами . Протоны и нейтроны вместе носят название нуклоны – то есть ядерные частицы.

Любой атом в целом электронейтрален, а это значит, что число электронов в электронной оболочке атома равно числу протонов в его ядре.

Таблица 11. Важнейшие характеристики электрона, протона и нейтрона

• Название " электрон" происходит от греческого слова, означающего " янтарь" .
• Название " протон" происходит от греческого слова, означающего " первый" .
• Название " нейтрон" происходит от латинского слова, означающего " ни тот, ни другой" (имеется в виду его электрический заряд).
• Знаки " –" , " +" и " 0" в символах частиц занимают место правого верхнего индекса.
• Размер электрона столь мал, что в физике (в рамках современной теории) вообще считается некорректным говорить об измерении этой величины.

ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, НУКЛОН, ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА.
1.Определите, насколько масса протона меньше массы нейтрона. Какую часть от массы протона составляет эта разница (выразите ее в виде десятичной дроби и в процентах)?
2.Во сколько раз (приближенно) масса любого нуклона больше массы электрона?
3.Определите, какую часть от массы атома составит масса его электронов, если в состав атома входят 8 протонов и 8 нейтронов. 4.Как вы думаете, удобно ли использовать единицы международной системы единиц измерений (СИ) для измерений масс атомов?

Между всеми заряженными частицами атома действуют электрические (электростатические) силы: электроны атома притягиваются к ядру и вместе с тем отталкиваются друг от друга. Действие заряженных частиц друг на друга передается электрическим полем .

Вам знакомо уже одно поле – гравитационное. Подробнее о том, что такое поля, и о некоторых их свойствах вы узнаете из курса физики.

Все протоны в ядре заряжены положительно и за счет электрических сил отталкиваются друг от друга. Но ядра же существуют! Следовательно, в ядре, кроме электростатических сил отталкивания, действует еще какое-то взаимодействие между нуклонами, за счет сил которого они притягиваются друг к другу, причем это взаимодействие – значительно сильнее электростатического. Эти силы называются ядерными силами , взаимодействие – сильным взаимодействием , а поле, передающее это взаимодействие – сильным полем .

В отличие от электростатического, сильное взаимодействие ощущается только на коротких расстояниях – порядка размеров ядер. Но силы притяжения, вызванные этим взаимодействием (F я). во много раз больше электростатических (F э). Отсюда – " прочность" ядер во много раз больше " прочности" атомов. Поэтому в химических явлениях изменяется только электронная оболочка, а ядра атомов остаются неизменными.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А . Число нейтронов в ядре обозначается буквой N , а число протонов – буквой Z . Эти числа связаны между собой простым соотношением:

Плотность вещества ядер огромна: она примерно равна 100 миллионам тонн на кубический сантиметр, что несоизмеримо с плотностью любого химического вещества.

ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА, АТОМНОЕ ЯДРО, МАССОВОЕ ЧИСЛО, ЧИСЛО ПРОТОНОВ, ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ.

При химических peaкцияx атомы могут терять часть своих электронов, а могут и присоединять " лишние" . При этом из нейтральных атомов образуются заряженные частицы – ионы . Химическая сущность атомов при этом не меняется, то есть атом, например, хлора не превращается в атом азота или в атом какого-нибудь другого элемента. Физические воздействия довольно большой энергии могут вообще " сорвать" с атома всю электронную оболочку. Химическая сущность атома при этом также не изменится – отняв электроны у каких-нибудь других атомов, ядро снова превратится в атом или ион того же элемента. Атомы, ионы и ядра обобщенно называются нуклидами .

Для обозначения нуклидов используют символы элементов (вы помните, что они могут обозначать и один атом) с левыми индексами: верхний равен массовому числу, нижний – числу протонов. Примеры обозначения нуклидов:

В общем случае

Теперь мы можем сформулировать окончательное определение понятия " химический элемент" .

Так как заряд ядра определяется числом протонов, то химическим элементом можно назвать совокупность нуклидов с одинаковым числом протонов.Вспомнив сказанное в начале параграфа, мы можем уточнить один из важнейших химических законов.

При химических реакциях (и при физических взаимодействиях, не затрагивающих ядра) нуклиды не возникают, не исчезают и не превращаются друг в друга.

Итак, массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов: А = Z + N . У нуклидов одного элемента заряд ядра одинаков (Z = const ), а число нейтронов N ? У нуклидов одного элемента число нейтронов в ядре может быть одинаковым, а может и отличаться. Поэтому и массовые числа нуклидов одного элемента могут быть разными. Примеры нуклидов одного элемента с разными массовыми числами – различные устойчивые нуклиды олова, характеристики которых приведены в табл. 12. У нуклидов с одинаковыми массовыми числами масса одинакова, а у нуклидов с разными массовыми числами – разная. Отсюда следует, что атомы одного элемента могут отличаться по массе.

Следовательно, у нуклидов одного изотопа одинаковое число протонов (так как это один элемент), одинаковое число нейтронов (так как это один изотоп) и, естественно, одинаковая масса. Такие нуклиды совершенно одинаковы и потому принципиально неразличимы. (В физике под словом "изотоп" иногда подразумевают и одинт нуклид данного изотопа)

Нуклиды разных изотопов одного элемента отличаются массовыми числами, то есть числами
нейтронов, и массой.

Общее число известных ученым нуклидов приближается к 2000. Из них устойчивы, то есть существуют в природе, около 300. Элементов в настоящее время, включая искусственно полученные, известно 110.(Среди нуклидов физики выделяют изобары - нуклиды с одинаковой массой(независимо от заряда))
Многие элементы имеют по одному природному изотопу, например, Be, F, Nа, Al, P, Mn, Co, I, Au и некоторые другие. Но большинство элементов имеют по два, по три и более устойчивых изотопа.
Для описания состава атомных ядер иногда рассчитывают доли протонов или нейтронов в этих ядрах.

где D i – доля интересующих нас объектов (например, седьмых),
N 1 – число первых объектов,
N 2 – число вторых объектов,
N 3 – число третьих объектов,
N i – число интересующих нас объектов (например, седьмых),
N n – число последних по счету объектов.

Для сокращения записи формул в математике знаком обозначают сумму всех чисел N i , от первого (i = 1) до последнего (i = n ). В нашей формуле это означает, что суммируются числа всех объектов: от первого (N 1) до последнего (N n ).

Пример. В коробке лежат 5 зеленых карандашей, 3 красных и 2 синих; требуется определить долю красных карандашей.

N 1 = n з, N 2 = N к, N 3 = n c ;

Доля может выражаться простой или десятичной дробью, а также в процентах, например:

НУКЛИД, ИЗОТОП, ДОЛЯ
1.Определите долю протонов в ядре атома . .Определите долю нейтронов в этом ядре.
2.Какова доля нейтронов в ядрах нуклидов
3.Массовое число нуклида равно 27. Доля протонов в нем 48,2%. Нуклидом какого элемента является данный нуклид?
4.В ядре нуклида доля нейтронов 0,582. Определите Z.
5.Во сколько раз масса атома тяжелого изотопа урана 92 U, содержащего 148 нейтронов в ядре, больше массы атома легкого изотопа урана, содержащего в ядре 135 нейтронов?

Из количественных характеристик атома вам уже знакомы массовое число, число нейтронов в ядре, число протонов в ядре и заряд ядра.
Так как заряд протона равен элементарному положительному заряду, то число протонов в ядре (Z ) и заряд этого ядра (q я), выраженный в элементарных электрических зарядах, численно равны. Поэтому, как и число протонов, заряд ядра обычно обозначают буквой Z .
Число протонов одинаково для всех нуклидов какого-либо элемента, поэтому оно может использоваться как характеристика этого элемента. В этом случае оно называется атомным номером.

Так как электрон "легче" любого из нуклонов почти в 2000 раз, масса атома (m o) сосредоточена прежде всего в ядре. Ее можно измерять в килограммах, но это очень неудобно.
Например, масса самого легкого атома – атома водорода – равна 1,674 . 10– 27 кг, и даже масса самого тяжелого из существующих на Земле атомов – атома урана – равна всего лишь 3,952 . 10– 25 кг. Даже используя самую маленькую десятичную долю грамма – аттограмм (аг), мы получим значение массы атома водорода m o (H) = = 1,674 . 10– 9 аг. Действительно, неудобно.
Поэтому в качестве единицы измерений масс атомов используется специальная атомная единица массы, для которой знаменитый американский химик Лайнус Полинг (1901 – 1994) предложил название " дальтон" .

Атомная единица массы с точностью, достаточной в химии, равна массе любого нуклона и близка к массе атома водорода, ядро которого состоит из одного протона. В 11-м классе из курса физики вы узнаете, почему она в действительности несколько меньше массы любой из этих частиц. Из соображений удобства измерений атомная единица массы определяется через массу нуклида самого распространенного изотопа углерода.

Обозначение атомной единицы массы – а. е. м. или Дн.
1Дн = 1,6605655 . 10– 27 кг 1,66 . 10– 27 кг.

Если массу атома измеряют в дальтонах, то по традиции ее называют не " масса атома" , а атомная масса. Масса атома и атомная масса – одна и та же физическая величина. Так как речь идет о массе одного атома (нуклида), то ее называют атомной массой нуклида.

Обозначается атомная масса нуклида буквами А r с указанием символа нуклида, например:
А r (16 O) – атомная масса нуклида 16 O,
A r (35 Cl) – атомная масса нуклида 35 Сl,
A r (27 Аl) – атомная масса нуклида 27 Аl.

Если у элемента есть несколько изотопов, то этот элемент состоит из нуклидов с разной массой. В природе изотопный состав элементов обычно постоянен, поэтому для каждого элемента можно посчитать среднюю массу атомов этого элемента ():

где D 1 , D 2 , ..., D i – доля 1-го, 2-го, ... , i -го изотопа;
m 0 (1), m 0 (2), ..., m 0 (i ) – масса нуклида 1-го, 2-го, ..., i-го изотопа;
n – общее число изотопов данного элемента.
Если среднюю массу атомов элемента измеряют в дальтонах, то в этом случае ее называют атомной массой элемента.

Обозначается атомная масса элемента так же, как и атомная масса нуклида, буквами А r , но в скобках указывается не символ нуклида, а символ соответствующего элемента, например:
А r (O) – атомная масса кислорода,
А r (Сl) – атомная масса хлора,
А r (Аl) - атомная масса алюминия.

Так как атомная масса элемента и средняя масса атома этого элемента – одна и та же физическая величина, выраженная в разных единицах измерений, то и формула для вычисления атомной массы элемента аналогична формуле для вычисления средней массы атомов этого элемента:

где D 1 , D 2 , ..., D n – доля 1-го, 2-го, ..., i -того изотопа;
А r (1), А r (2), ..., A r (i ) – атомная масса 1-го, 2-го, ..., i -го изотопа;
п – общее число изотопов данного элемента.

АТОМНЫЙ НОМЕР ЭЛЕМЕНТА, МАССА АТОМА (НУКЛИДА),АТОМНАЯ МАССА НУКЛИДА, АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ, АТОМНАЯ МАССА ЭЛЕМЕНТА

4)Какова доля а) атомов кислорода в оксиде азота N 2 O 5 ; б) атомов серы в серной кислоте? 5)Принимая атомную массу нуклида численно равной массовому числу, рассчитайте атомную массу бора, если природная смесь изотопов бора содержит 19% изотопа 10 В и 81% изотопа 11 В.

6)Принимая атомную массу нуклида численно равной массовому числу, рассчитайте атомные массы следующих элементов, если доли их изотопов в природной смеси (изотопный состав) составляют: а) 24 Mg – 0,796 25 Mg – 0,091 26 Mg – 0,113
б) 28 Si – 92,2 % 29 Si – 4,7 % 30 Si – 3,1 %
в) 63 Cu – 0,691 65 Cu – 0,309

7)Определите изотопный состав природного таллия (в долях соответствующих изотопов), если в природе встречаются изотопы таллий-207 и таллий-203, а атомная масса таллия равна 204,37 Дн.

8)Природный аргон состоит из трех изотопов. Доля нуклидов 36 Аr составляет 0,34%. Атомная масса аргона – 39,948 Дн. Определите, в каком соотношении встречаются в природе 38 Аr и 40 Аr.

9)Природный магний состоит из трех изотопов. Атомная масса магния – 24,305 Дн. Доля изотопа 25 Mg – 9,1%. Определите доли остальных двух изотопов магния с массовыми числами 24 и 26.

10)В земной коре (атмосфере, гидросфере и литосфере) атомы лития-7 встречаются примерно в 12,5 раз чаще, чем атомы лития-6. Определите атомную массу лития.

11)Атомная масса рубидия – 85,468 Дн. В природе встречаются 85 Rb и 87 Rb. Определите, во сколько раз легкого изотопа рубидия больше, чем тяжелого.