2.10.4. Дефект масс. Энергия связи атомного ядра.

Между частицами в ядре действуют ядерные силы (притяжения) и поэтому для того чтобы разделить ядро на составляющие его частицы необходимо затратить некоторую энергию. Эта энергия получила название энергии связи ядра.

Другими словами можно сказать, что энергия связи ядра равна энергии выделяющейся при образовании ядра из отдельных частиц.

Поскольку закон ядерных сил не установлен, то рассчитать энергию связи атомного ядра невозможно.

В результате точных измерений масс нуклонов и атомных ядер было установлено, масса ядра всегда меньше, чем суммарная масса частиц, из которых она состоит. Иначе говоря, наблюдается дефект масс

. 10.3

На эту величину уменьшается масса всех нуклонов входящих в ядро. В соответствии с формулой А.Эйнштейна можно подсчитать энергию связи ядра

. 10.4

На практике гораздо чаще используют не энергию связи, а удельную энергию связи, т.е. энергию, приходящуюся на один нуклон ядра. На рисунке показана зависимость удельной энергии связи от числа частиц в ядре. Из него следует, что наиболее устойчивыми являются элементы средней части таблицы элементов Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы и, следовательно, энергетически выгодными являются процессы деления тяжелых ядер и слияние легких.

3.10.4. Радиоактивное излучение и его состав.

В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы, которое действует на фотопластинку, ионизирует воздух, проникает через металлическую пластинку и вызывает свечение некоторых веществ (например, платиносинеродистого бария). Исследования Пьера и Марии Кюри было установлено, что подобное излучение свойственно не только урану, но и торию, и актинию. Несколько позже ими были открыты новые химические элементы радий и полоний. Явление это получило название радиоактивности, а излучение радиоактивным излучением.

Исследования было установлено, радиоактивные свойства не изменяются при различных внешних воздействиях, а, следовательно, они обусловлены структурой атомного ядра.

В настоящее время под радиоактивностью понимается способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц. Различают естественную радиоактивность (неустойчивы ядра элементов существующих в природе) и искусственную (ядер атомов, полученных путем ядерных реакций и в природе не существующих). Искусственная радиоактивность была обнаружена Ирен и Фредериком Жолио-Кюри при бомбардировке - частицами различных элементов (Нобелевская премия по физике за 1935 год).

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле оно распадается на три компонента:

- - излучение – слабо отклоняется магнитным полем, имеет положительный заряд и малую проникающую способность. Прямыми опытами (Резерфорд) было установлено, что это двукратно ионизированные атомы гелия.

- - излучение – сильно отклоняется магнитным полем, обладает отрицательным зарядом. По отклонению в магнитном и электрическом полях был определен удельный заряд частиц, который совпал со значением удельного заряда для электрона. Таким образом, было установлено, что - излучение представляет собой поток быстро движущихся электронов.

- - излучение – не отклоняется магнитным полем. Представляет собой электромагнитное излучение, длина воны которого меньше, чем у рентгеновских лучей.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что распад является спонтанным процессом и подчиняющимся статистическим законам. Случайный характер этого процесса позволяет сделать вывод о том, число ядер , распадающихся за время , пропорционально числу ядер, т.е.

, 10.5

где - постоянная распада, основная характеристика данного ядра. Знак минус говорит о том, что общее число ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные и интегрируя, получим

. 10.6

Учитывая, что в начальный момент времени число радиоактивных ядер равно , то и тогда закон радиоактивного распада будет иметь вид

. 10.7

Определим время, в течение которого распадается половина из имеющихся ядер

. 10.8

Период полураспада основная характеристика радиоактивного элемента и может принимать самые различные значения ( 4,5 млрд лет для урана до десятых и сотых долей секунды и меньше).

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемые правилами смещения:

- распад. ;

- распад. ;

в процессе - излучения ядро переходит из возбужденного состояния в основное и поэтому оно не испытывает превращений.

4.10.4. - распад. Нейтрино.

Как мы уже указывали в процессе - распада из ядра выбрасывается электрон. При разработке теории - распада пришлось преодолеть целый ряд трудностей.

Одно из первых состояло в том, что электроны, выбрасываемые из ядра, имеют непрерывный спектр, начиная от нуля до некоторого максимального значения. Но как ядра, имеющие определенную энергию до и после распада, могут выбрасывать электроны с различными значениями энергии.

Н.Бор даже попытался обосновать нарушение закона сохранения энергии в процессе радиоактивного распада.

Вторая трудность состояла в том, что необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасываемых из ядра. Предположение о том, что электрон вылетает из атома, не состоятельно, ибо при этом должно возникать оптическое излучение, что не подтверждается экспериментально.

Третья трудность состояла в том, что в процессе - распада не сохраняется спин. В процессе - распада число нуклонов в ядре не меняется и естественно не должен изменяться и спин ядра. Но электрон имеет спин и при вылете электрона спин ядра должен измениться на эту величину, что не наблюдается на опыте.

В 1931 году, чтобы разрешить указанные трудности, Паули выдвинул гипотезу, согласно которой одновременно с выбросом электрона из ядра выбрасывается еще одна частица – не имеющая заряда со спином равным и реакция - распада имеет вид

. 10.9

Эту частицу Паули предложить назвать нейтрино (нейтрончик). Выдвинутая гипотеза позволила разработать стройную теорию - распада. Экспериментально нейтрино было обнаружено лишь 26 лет спустя (1956 г.) в потоках частиц возникающих при работе атомного реактора.

Нейтрино не имеет электрического заряда и массы покоя поэтому слабо взаимодействует с веществом. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации воздуха может произойти на пути в 500 км. Нейтрино не участвует в сильном взаимодействии и поэтому абсолютно свободно может пройти через земных шаров поставленных друг на друга.

Поэтому экспериментальное обнаружение нейтрино представляло собой довольно сложную экспериментальную задачу. Неслучайно, что Паули в письме к Дираку писал о том, что сегодня я ввел частицу, которую никто и никогда не обнаружит.

Так как число нуклонов в ядре не меняется, то ответ на вопрос о происхождении электрона может быть лишь один. В ядре один из нейтронов превращается в протон по схеме

. 10.10

Данная реакция возможна, так как масса покоя нейтрона больше массы покоя протона.

Но если превращение испытывает нейтрон в атоме (связанный нейтрон), то должен наблюдаться и распад свободных нейтронов. В 1950 году в потоках нейтронов, возникающих в ядерных реакторах, было обнаружен радиоактивный распад нейтронов, что и подтвердило данную теорию. Изучение нейтрино, приходящих на Землю из космоса, позволяет судить о процессах протекающих в космосе. Для этого строят так называемые нейтринные телескопы, которые, как правило, располагают глубоко под Землей.