5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ -ИЗЛУЧЕНИЯ

РАДИОНУКЛИДОВ С ВЕЩЕСТВОМ

Цель работы: Измерение коэффициентов поглощения -излучения тверды­ми телами. Определение энергии -квантов и механизма взаимодействия излу­чения с веществом по коэффициентам поглощения.

Теоретические сведения

Строение атомного ядра

Существование атомных ядер впервые было экспериментально доказано в знаменитых опытах Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. В этих опытах удалось также установить размеры ядра. Оказалось, что диаметр ядра имеет по­рядок 10^-12-10^-13 м. На основании этих опытов возникла планетарная модель атома, которая была детально разработана Н.Бором. Теория Бора позволила объяснить многие наблюдаемые свойства атомов.

По современным представлениям ядро атома любого элемента состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Основные характеристики ста­бильных ядер - это зарядовое число Z, равное числу протонов, входящих в со­став ядра, и массовое число А, равное полному числу нуклонов и ядре. Число N нейтронов в ядре, очевидно, равно разности А - Z

Так как заряд протона представляет собой элементарный положительный заряд e=1,6 10^-19 Кл, то электрический заряд ядра равен Ze. В нейтральном ато­ме полное число электронов в электронной оболочке равно Z . Поэтому зарядо­вое число Z ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Менделеева и определяет все его химические свойства.

Наряду с термином "ядро атома" используется также термин нуклид. Нуклиды с одинаковыми зарядовыми числами Z, но различными числами нейтро­нов N, называются изотопами, так как соответствуют одному и тому же хими­ческому элементу, т.е. одному и тому же элементу в таблице Менделеева. Хи­мические элементы имеют по несколько изотопов и в природе встречаются в виде смесей определенного процентного состава. Нуклиды с одинаковыми мас­совыми числами А, но с различными Z и N, называются изобарами (т.е. одина­ково тяжелыми).

Массы протонов и нейтронов очень близки: масса протона m_n= l836,15m_e, масса нейтрона m_n=1836,68m_e, где m_e=0,91095 10^-30 кг – масса электрона. По­этому масса нуклида практически определяется общим числом А входящих и него нуклонов, а не значениями Z и N. За атомную единицу массы (а.е.м.) при­нимают 1/12 часть массы нуклида изотопа углерода ₆C, содержащего 12 нуклонов. Поэтому в атомных единицах масса любого нуклона почти не отличается от единицы. В этих единицах масса ядра приближенно равна массовому числу А.

Энергия связи

Неточное совпадение массы нуклида с его массовым числом обусловлено не только различием масс протонов и нейтронов, но и тем, что их массы не складываются аддитивно в массу образуемого ими нуклида М:

М <Zm_p +Nm_n.

Разность между суммой масс протонов и нейтронов Zm_p +Nm_n, и массой ядра М называется дефектом массы. Дефект массы определяет энергию связи ядра E_СВ, т.е. ту энергию, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

E_св=(Zm_р + Nm_n - M)c² (1)

где с - скорость света в вакууме.

Соотношение (1) является следствием общей релятивистской формулы Е₀=m₀c² , связывающей энергию покоя любого тела с его массой то. Очевид­но, что энергия связи характеризует взаимодействие между нуклонами в ядре.

Фундаментальные взаимодействия.

В природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти взаимодействия отличаются интенсивностью процессов, вызываемых среди элементарных частиц.

Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости (или степени вероятности) процессов, вызываемых ими. Обычно для сравнения берут скорости процессов при энергиях сталкивающихся частиц около 1 ГэВ (такая энергия характерна для физики элементарных частиц). Сравнительные характеристики этих четырех типов взаимодействия приведены в таблице, где указаны интенсивности взаимодействий по сравнению с сильным, принятым за единицу, а также длительность процессов и радиус действия соответствующих сил.

Взаимодействие	Интенсивность	Длительность процессов, с	Радиус действия, см
Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное	1 10-2 10-14 10-31	10-23 10-20 10-9 -	10-13 ∞ 10-16 ∞

Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.

1. Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в атомных ядрах. Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10^-11 см они прекращаются, вследствие чего сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров. Вплоть до расстояний 7∙10^-14 см они проявляются как силы притяжения, на меньших расстояниях – как силы отталкивания. Силы отталкивания настолько быстро растут с уменьшением расстояния, что нуклоны в ядре можно рассматривать как соприкасающиеся частицы неизменных размеров. На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в отношении сильного взаимодействия ведут себя практически одинаково: ядерные силы между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном неразличимы. Поэтому протоны и нейтроны в ядре можно рассматривать как два различных зарядовых состояния одной и той же частицы-нуклона. Независимость ядерных сил от зарядового состояния называется протонической инвариантностью.

2. Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Они значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы, ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т.д.

3. Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Слабые взаимодействия являются универсальными: они присутствуют во всех взаимодействиях. Это взаимодействие описывает процесс превращения нейтрона в протон при β-распаде.

4. Гравитационные взаимодействия самые слабые. Они универсальны. Но для элементарных частиц эти взаимодействия никакого значения не имеют, поэтому современная физика элементарных частиц – это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10^-18 до 10^-11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11,7 мин.