8.1.4. Модели атомного ядра

Капельная модель ядра – одна из самых ранних моделей атомного ядра, предложенная Н.Бором и К.Ф. фон Вайцзеккером и развитая Дж.Уилером и Я.И.Френкелем и др. (1935 – 1939). В капельной модели ядра силы, действующие в ядре, предполагаются аналогичными молекулярным силам в капле жидкости. Энергия притяжения нуклонов, обусловленная ядерными силами, соответствует энергии молекулярного притяжения в капле жидкости. Ядро рассматривается как практически несжимаемая капля электрически заряженной жидкости чрезвычайно большой плотности. На основе этой модели получили полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснили механизм деления ядер.

Оболочечная модель ядра – модель, основанная на представлении об атомном ядре как о системе нуклонов, движущихся независимо в потенциальном поле, создаваемом другими нуклонами. Предложена М.Гепперт-Майер и Х.Йенсеном в 1949-1950 гг. Модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Наиболее устойчивы ядра, у которых или равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа получили название магических. Особо устойчивыми являются дважды магические ядра:

Обобщённая (коллективная) модель ядра – синтез капельной и оболочечной моделей ядра; ядерная модель, одновременно учитывающая как одночастичные (нуклонные), так и коллективные (колебательные и вращательные) степени свободы атомного ядра. Предложена О.Бором и Б.Моттельсоном в начале 1950-х годов. Оболочечная и капельная модели рассматриваются как предельные случаи обобщенной модели.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Какие частицы образуют атомное ядро? Что называется массовым числом, зарядовым числом ядра?

2. Что называется энергией связи ядра? дефектом массы ядра?

3. Каков механизм действия ядерных сил?

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

Лекция 48

8.2. Радиоактивность

Радиоактивность, естественная и искусственная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Виды радиоактивности: α-распад, β^--распад, β⁺-распад, К-захват, протонная и двухпротонная радиоактивность, f-распад. γ-излучение, происхождение и взаимодействие с веществом. Дозы ионизирующего излучения. Спонтанное деление тяжелых ядер. Нейтроны и их взаимодействие с веществом. Ядерные реакции. Реакция деления ядра. Цепная ядерная реакция. Ядерные реакторы и проблемы атомной энергетики. Термоядерные реакции. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

8.2.1. Естественная и искусственная радиоактивность

Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивности внесли П.Кюри и М.Склодовская-Кюри.

Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения путем распада ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер и излучения. Ядра, подвергающиеся таким распадам, называются радиоактивными, а неподвергающиеся – стабильными. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер, существующих в природе. Такие ядра имеют среднее время жизни более 10⁸ лет, поэтому не успели все распасться за время жизни Вселенной (около 13,8 млрд лет). В настоящее время известно более 300 естественных радионуклидов. 14 радионуклидов имеют период полураспада, сравнимый со временем существования Земли (4,5×10⁹ лет): K-40, V-50, Rb-87, In-115, La-138, Ce-147, Sm-147, Re-187, Pt-192, Th-232, U-238, U-235. Продукты распада ядер также могут быть радиоактивными. Возникает целый ряд радиоактивных превращений, заканчивающийся стабильным изотопом. Радиоактивные ряды – группы генетически связанных радионуклидов, в которых каждый последующий возникает в результате α- или β-распада предыдущего. Каждый радиоактивный ряд имеет родоначальника – радионуклид с наибольшим для данного ряда периодом полураспада. В природе существуют три радиоактивных ряда: ряд тория, ряд урана и ряд актиноурана, родоначальниками которых являются Th-232 (Т_1/2=1,4×10¹⁰ лет), U-238 (Т_1/2=4,5×10⁹ лет), U-235 (Т_1/2=7×10⁸ лет), периоды полураспада которых сравнимы с возрастом Земли. Четвертый радиоактивный ряд начинается искусственно полученным радионуклидом Np-237 (T_1/2=2,14×10⁶ лет), изотопы которого успели полностью распасться за время существования Земли. Кроме долгоживущих изотопов в природе существуют изотопы с малым периодом полураспада, образующиеся при распаде долгоживущих изотопов.

Искусственная радиоактивность – распад ядер, полученных искусственным путем в результате ядерных реакций. Открыта в 1934 г. Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Особенно много искусственных радионуклидов образуется в ядерных реакторах.

Было установлено, что радиоактивное вещество является источником трех видов излучения, которые назвали -, - и -лучами.

- излучение отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Представляет собой поток ядер гелия, заряд = +2 е. - излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, его ионизирующая способность значительно меньше, проникающая гораздо больше. Представляет собой поток быстрых электронов.

- излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны < 10^{-10 м}, поэтому обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком - квантов (фотонов).