Лекция 24

План лекции

• Состав атомного ядра

• Характеристики атомного ядра

1. Зарядовое число ядра

2. Размер ядра

3. Спин ядра

4. Энергия связи нуклонов в ядре

• Ядерные реакции

1. Понятие и основные типы

2. Деление ядер

3. Синтез ядер

• Понятие о дозиметре и защите

Состав атомного ядра.

Атомное ядро.

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон.

Протон (p) обладает зарядом + и массой

m_p= 938,28 МэВ

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

m_e= 0,511 МэВ

Из сопоставления и следует, что

m_p= 1836m_e

Протон имеет спин, равный половине (s=), и собственный магнитный момент =+2.79,

Где ==5,05*эрг/Гс (=5.05* Дж/Тл) - единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μ_я в 1836 раз меньше магнетона Бора μ_б. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон.

Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физиком Д.Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса

m_n= 939,57МэВ очень близка к массе протона.

Разность масс нейтрона и протона (m_n–m_p) составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5 m_e.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s=) и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом μ_n= - 1,91μ_я (знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μ_pи μ_nс большой степенью точности равно - 3/2. Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино . Период полураспада (т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин.

Схему распада можно написать следующим образом:

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы протона на 2,5m_e. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5m_e, т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра.

Зарядовое число

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Z_e. Число Z определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его также называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N=A–Z.

Для обозначения ядер применяется символ

где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

Ядра с одинаковым Z, но разными А называются изотопами.

Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

, у олова – десять.

Водород имеет три изотопа:

обычный водород, или протий (Z=1, N=0),

тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),

тритий (Z=1, N=2).

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести . Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A -Z носят название изотопов N.Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеются два изомера ядра, у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от1до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы (с Z от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученых Кюри, Эйнштейна, Ферми и Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика Курчатова.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым Н.Н. Флеровым и его сотрудниками.

Размеры ядер.

В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой R=1.3* Acm=1.3A Ферми (ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной 10^-13см).

Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра.

Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно.

У всех четно-четных ядер (т.е. ядро с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра M_J складывается с моментом электрон­ной оболочки в полный момент импульса атома M_F, который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям M_J и M₃ (т.е. различным F), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов μ_L и μ_S обусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием μ_J и μ_з определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщеп­ление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

Энергия связи нуклонов в ядре

Ядерные силы притягивают нуклоны, находящиеся в атомном ядре, друг к другу и не дают ему развалиться на части. Чтобы разделить атомное ядро на составляющие нуклоны, необходимо совершить работу против действия ядерных сил. Энергию, которую необходимо затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи атомного ядра. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из отдельных нуклонов происходит выделение энергии, равной по величине энергии связи данного атомного ядра. Выделение энергии, происходящее при образовании атомного ядра, происходит за счёт работы ядерных сил, притягивающих нуклоны друг к другу.

Энергию связи атомного ядра часто измеряют в электрон-вольтах(эВ) – внесистемных единицах энергии, численно равным энергии, приобретаемой частицей, несущей один элементарный заряд при перемещении в ускоряющем электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,60219× Дж. Применяются также кратные единицы – килоэлектрон-вольт (кэВ), равный 10³эВ и мегаэлектрон-вольт (МэВ), равный10⁶эВ.

Рассчитать энергию связи ядер можно, используя соотношение между энергией и массой, открытое Эйнштейном в созданной им специальной теории относительности. Согласно теории относительности покоящееся тело массой m обладает энергией E, которая равна:

Е= mc², где с– скорость света. Из следует, что, если масса тела изменится на Dm, то и его энергия изменится на величину DE, и при этом:

DЕ= Dmc². (24.1)

Измерения показали, что масса ядра М_я всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит, что можно записать в виде:

М_я<Zm_p+Nm_n,

Где m_p и m_n - массы протона и нейтрона, а Z и N- их количество в ядре, соответственно. Превышение суммы масс нуклонов, входящих в ядро, над массой ядра называют дефектом масс DM:

DM=Zm_p+Nm_n-М_я. (24.2)

Дефект масс вызван тем, что нуклоны, образуя ядро, теряют энергию, равную энергии связи этого ядра. Поэтому, подставляя (24.1) в (24.2), можно найти следующее выражение энергии связи ядра E_СВ:

E_СВ= DM×с²= (Zm_p+Nm_n-М_я)×с² (24.3)

С помощью (24.3) можно вычислить энергию связи любых ядер. Например, энергия связи самого простого ядра, дейтерия, состоящего из протона и нейтрона, равна 2,2 МэВ. Чтобы расщепить на нуклоны α-частицу () необходимо затратить 28МэВ, а энергия связи ядра изотопа железа (

составляет 493МэВ.

Чем больше массовое число атомного ядра, тем больше его энергия связи. Важной характеристикой атомного ядра является его удельная энергия связи отношение энергии связи ядра к его массовому числу. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Удельная энергия связи ядра всегда больше энергии, необходимой для разделения молекулы на атомы (энергия химической связи) или отщепления электрона от атома (энергия ионизации). Например, энергия химической связи молекулы водорода (4,8 эВ) и энергия ионизации атома водорода (13, 6 эВ) в сотни тысяч раз меньше удельной энергии связи ядра дейтерия (1,1 МэВ/нуклон).

Зависимость удельной энергии связи (Е_СВ/А) от массового числа А ядра показана на рис. 37. Видно, что с ростом массового числа удельная энергия связи сначала увеличивается, потом достигает максимума (около 8,8 МэВ/нуклон), а далее с ростом А постепенно снижается до 7,6 МэВ/нуклон для изотопа урана. При этом максимальную удельную энергии связи имеют ядра элементов с массовыми числами от 50 до 60, т.е. ядра железа и близких к нему элементов.