
- •Атом бора
- •Баланс мощности
- •8. Гипотеза де-Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера. Дифракция электронов, атомов и молекул. Корпускулярно-волновой дуализм. Особенности поведения микрообъектов.
- •Орядок заполнения ячеек.
- •Масса и энергия связи ядра
- •Модели атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Радиоактивность
- •37.Альфа-распад радиоактивных ядер. Бета-распад. Спектр бета-частиц. Проблема массы нейтрино. Электронный захват (е-захват).
- •Свойства нейтрино Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино: электронное нейтрино/электронное антинейтрино; мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино
- •39.Активность радиоактивного вещества. Единицы измерения активности. Радиоактивные семейства.
- •40.Ядерные реакции. Энергия реакции. Составное ядро. Время пролета. Эффективное сечение реакции.
- •41.Деление атомных ядер под действием нейтронов. Цепная ядерная реакция. Критическая масса. Атомная бомба. Ядерный реактор.
- •Термоядерные реакции
- •42.Синтез легких ядер. Термоядерный и инерционный синтез. Проблемы управляемого термоядерного синтеза. Термоядерные реакции
- •43.Виды взаимодействий и классы элементарных частиц. Фотоны, лептоны, мезоны, барионы, гипероны.
- •Методы регистрации элементарных частиц. Камера Вильсона. Диффузионная камера. Пузырьковая камера. Искровая камера. Эмульсионная камера.
- •Эмульсионная камера – нету
- •45 Космические лучи. Первичные и вторичные космические лучи. Радиационные пояса Земли. Мягкая и жесткая компоненты космических лучей.
- •Античастицы. Зарядовое сопряжение. Законы сохранения
- •Зарядовое сопряжение
- •Сохранение странности
- •Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву
- •Свойства нейтрино
- •49. Систематика элементарных частиц. Кварковая модель адронов. Попытки обнаружения кварков.
- •Чёрные дыры
- •Белые карлики
39.Активность радиоактивного вещества. Единицы измерения активности. Радиоактивные семейства.
Активность радиоактивного вещества. Активностью радиоактивного препарата называется число распадов, происходящих в препарате за единицу времени. Если за время dt распадается dNрасп ядер, то активность равна dNрасп/dt. Согласно 174
dNрасп = |dN| = λNdt.
Отсюда следует, что активность радиоактивного препарата равна λN, т.е. произведению постоянной распада на количество имеющихся в препарате нераспавшихся ядер.
В международной системе единиц (СИ) единицей активности является расп/с. Допускается применение внесистемных единиц расп/мин и кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700·1010 актов распада в секунду. Применяются дробные единицы (милликюри, микрокюри и т.д.), а также кратные единицы (килокюри, мегакюри).
Радиоактивные семейства (ряды) - генетически связанные последовательнымрадиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца 206Pb, 207Pb,208Pb (Z = 82) и висмут 209Bi (Z = 83). Химические элементы с Z > 83 нестабильны и распадаются в результате α-, β-распадов или спонтанного деления. В естественных условиях на Земле в настоящее время существует около 40 α-радиоактивных изотопов, самые тяжелые из которых − торий 232Th (Z = 90) и изотопы урана 234U, 235U, 238U (Z = 92).
Таким образом, имеем четыре радиоактивных семейства (ряда). Три из них (А = 4n, 4n+2 и 4n+3) включают изотопы, присутствующие в настоящее время на Земле. Четвертый ряд А = 4n + 1, родоначальником которого является 237Np, состоит из ядер, радиоактивные изотопы которого успели распасться за время существования Земли.
-
α
А = 4n:
236U
232Th … 208Pb,
А = 4n+ 1:
237Np … 209Bi,
А = 4n+ 2:
238U … 206Pb,
А = 4n+ 3:
235U … 207Pb.
40.Ядерные реакции. Энергия реакции. Составное ядро. Время пролета. Эффективное сечение реакции.
Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другими ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10-13 см благодаря действию ядерных сил.
Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы a с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:
X + a → Y + b.
Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде
X(a, b)Y 83183\* MERGEFORMAT (.)
В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сначала исходная, затем конечная.
В качестве легких частиц a и b могут фигурировать нейтрон (n), протон (p), дейтрон (d), α – частица (α) и γ – фотон (γ).
Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Она определяется разностью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и энергия реакции будет отрицательной.
В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру X частицы a и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд - ядром. Энергия, привнесенная частицей a (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двустадийное протекание реакции записывается следующим образом:
X + a → П → Y + b 84184\* MERGEFORMAT (.)
Если испущенная частица тождественна с захваченной (b ≡ a), процесс 184 называют рассеянием. В случае, когда энергия частицы b равна энергии частицы a (Eb = Ea) , рассеяние является упругим, в противном случае (т.е. при Eb ≠ Ea) - неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с a.
Промежуток времени τя, который требуется нуклону с энергией порядка
1 МэВ (что соответствует скорости нуклона ~ 109 см/с) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (~ 10-12 см), называется ядерным временем (или ядерным временем пролета). Это время по порядку величины равно
85185\* MERGEFORMAT (.)
Среднее время жизни составного ядра (равное 10-14 – 10-12 с) на много порядков превосходит ядерное время пролета τя. Следовательно, распад составного ядра (т.е. испускание им частицы b) представляет собой процесс, не зависящий от первого этапа реакции, заключающегося в захвате частицы a (составное ядро как бы "забывает" способ своего образования). Одно и то же составное ядро может распадаться различными путями, причем характер этих путей и их относительная вероятность не зависят от способа образования составного ядра.
Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий. Типичной реакцией прямого взаимодействия является реакция срыва, наблюдающаяся при нецентральных соударениях дейтрона с ядром. При таких соударениях один из нуклонов дейтрона может попасть в зону действия ядерных сил и будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон останется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически эту реакцию можно представить в виде (d, p) или (d, n).
Обратной реакцией срыва является реакция подхвата - налетевший нуклон (n или p) откалывает от ядра один из нуклонов (p или n), превращаясь при этом в дейтрон: (n, d) либо (p, d).
В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью эффективного сечения σ. Смысл этой величины заключается в следующем. Пусть поток частиц, например, нейтронов, падает на мишень, настолько тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (рис. 7). Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением σ, а падающие частицы – твердыми шариками с исчезающе малым сечением, то вероятность того, что падающая частица заденет одно из ядер мишени, была бы равна
P = σ n δ,
где n – концентрация ядер, т.е. число их в единице объема мишени, δ – толщина мишени (σ n δ определяет относительную долю площади мишени, перекрытую ядрами – шариками).
Пусть на мишень падает перпендикулярно к ее поверхности поток частиц N. Тогда количество частиц, претерпевающих в единицу времени столкновения с ядрами мишени, ΔN, определяется формулой
ΔN = NP = N σ n δ. 86186\* MERGEFORMAT (.)
Следовательно, определив относительное количество частиц, претерпевших столкновения, ΔN/N, можно было бы вычислить поперечное сечение σ = πr2 ядра по формуле
87187\* MERGEFORMAT (.)
В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками. Однако по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для характеристики вероятности взаимодействия используют величину σ, определяемую формулой 187, в которой под ΔN подразумевают не число столкнувшихся, а число провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называется эффективным сечением для данной реакции (или процесса).
Р и с. 7
В случае толстой мишени поток частиц будет по мере прохождения через нее постепенно ослабевать. Разбив мишень на тонкие слои, напишем соотношение 186 для слоя толщины dx, находящегося на глубине x от поверхности:
dN = – N(x) σ n dx,
где N(x) – поток частиц на глубине x. Мы написали знак минус, чтобы dN можно было рассматривать как приращение (а не ослабление) потока на пути dx. Интегрирование этого уравнения приводит к соотношению
N(δ) = N0exp(–σ n δ),
в котором N0 – первичный поток, а N(δ) – поток на глубине δ. Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при прохождении их через мишень толщины δ, можно определить сечение взаимодействия по формуле:
88188\* MERGEFORMAT (.)
Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших название барн:
1 барн = 10-24см2 . 89189\* MERGEFORMAT (.)
Впервые ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. При облучении азота α – частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид
Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами – α – частицами. Первая ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью так называемого умножителя напряжения они ускоряли протоны до
Р и с. 8
энергии порядка 0,8 МэВ и наблюдали реакцию
В дальнейшем по мере развития техники ускорения заряженных частиц множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем.
Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от заряженных частиц (p,d,α), нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией. Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфере действия ядерных сил, пролетая вблизи ядра, и, следовательно, тем больше вероятность его захвата. Поэтому многие эффективные сечения изменяются как 1/υ ~ E-1/2 . Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии Er.
В качестве примера на рис. 8 приведена кривая зависимости сечения захвата нейтрона ядром от энергии нейтрона E. Масштаб по обеим осям – логарифмический. В этом случае зависимость σ ~ E-1/2 изображается прямой линией, описываемой уравнением:
ln σ = const – ½ lnE. Из рисунка видно, что, кроме области энергий вблизи 7 эВ, ход ln σ c lnE действительно близок к прямолинейному. При Е = Еr = 7 эВ сечение захвата резко возрастает, достигая 23 000 барн. Вид кривой указывает на то, что явление имеет резонансный характер. Такое резонансное поглощение имеет место в том случае, когда энергия, привносимая нейтроном в составное ядро, в точности равна той энергии, которая необходима для перевода составного ядра на возбужденный энергетический уровень. Подобным же образом для фотонов, энергия которых равна разности энергий между первым возбужденным и основным уровнями атома, вероятность поглощения особенно велика (резонансное поглощение света).
Представляет интерес реакция
которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, так как он β- – радиоактивен, его период полураспада составляет 5730 лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и участвует в круговороте веществ в природе.
Количество возникающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоуглерода ΔN+ в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер ΔN_ пропорционально числу имеющихся ядер N:
ΔN_ = kN.
Так как период
полураспада очень велик, устанавливается
равновесная концентрация ядер
в обычном углероде, отвечающая условию
ΔN+ = ΔN_ или ΔN+ = kN.
Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода.
Пока организм живет, убыль в нем из-за радиоактивности восполняется за счет участия в круговороте веществ в природе. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекращается, и концентрация в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию в останках организмов (в древесине, костях и т.п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен историческими методами, дала вполне удовлетворительные результаты.