Дисциплина «Физика 4. Атомная физика. Строение вещества»
Модуль 4.2 Атомная физика
Лекция 9-11. Физика атомного ядра и элементарных частиц
Основные понятия: ядро, элементарные частицы, радиоактивность, ядерные реакции, фундаментальные взаимодействия.
План лекции
1. Ядро. Элементарные частицы.
2. Радиоактивность и ядерные реакции.
3. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.
4. Законы сохранения в ядерных реакциях и превращениях частиц.
Краткое содержание
1. Ядро. Элементарные частицы.
Атомное
ядро состоит из частиц, которые называют
нуклонами – протонов
и нейтронов.
Нуклоны
обладают внутренней структурой,
включающей три более элементарные
заряженные частицы – кварки. Состав
ядра задается количеством нуклонов:
зарядовым
числом Z
, равным
числу протонов в ядре, и массовым
числом А,
равным полному числу нуклонов в ядре.
Массы протонов и нейтронов примерно
равны и почти в 1840 раз больше массы
электрона и масса атома в основном
сосредоточена в ядре. Число нейтронов
в ядре равно
N=A
– Z.
Зарядовое число совпадает с номером
элемента в периодической таблице,
поэтому ядра обозначаются символом
этого элемента, а числа указывают слева
от этого элемента
.
Заряд ядра равен суммарному положительному
заряду протонов
.
На рисунке изображен нуклонный состав
гипотетического ядра
.
Атомы с одинаковым
Z,
но отличающиеся массовым числом (т.е.
числом нейтронов), называются изотопами.
Изотопы могут быть как стабильные, так
и радиоактивные. Радиоактивные изотопы
характеризуют типом радиоактивного
распада (
).
Не существует стабильных изотопов для
всех элементов с
.
У остальных элементов есть в среднем
по три изотопа. На рисунке сплошной
кривой показана зависимость N
от Z
для
устойчивых ядер (пунктиром показана
зависимость Z=N).
Видно, что с увеличением порядкового
номера в устойчивых ядрах число нейтронов
явно превышает число протонов. Наиболее
устойчивы ядра с четными числами протонов
и нейтронов (
и др.).
Между нуклонами действуют ядерные силы притяжения, удерживающие их в ядре не смотря на сильное (на столь малом расстоянии) кулоновское отталкивание протонов и для разделения ядра на нуклоны необходимо совершить положительную работу. Величину этой работы называют энергией связи ядра. С использованием формулы Эйнштейна для связи массы и энергии представим энергию связи ядра как
В
первом приближении энергия связи
пропорциональна числу нуклонов в ядре,
т.е. числу
.
Для более точного анализа используют
удельную
энергию связи,
определяемую как
,
т.е. энергия связи на нуклон. На рисунке
изображена примерная зависимость
от
.
Из
графика следует, что с ростом А
удельная энергия быстро возрастает(
при А <
16), потом плавно растет достигая при А
60 ( в области железа) максимум 8,8 МэВ/нуклон,
после чего плавно убывает до 7,6 МэВ/нуклон
для ядра последнего природного элемента
.
Благодаря резкому росту
при малых
,
оказывается энергетически выгодным
слияние легких ядер (термоядерная
энергия), а благодаря убыванию
при больших
энергетически выгодным оказывается
деление тяжелых ядер (атомная энергия).
Термоядерная энергия в расчете на один
нуклон в несколько раз превышает атомную.
2. Радиоактивность и ядерные реакции.
Радиоактивностью
называют самопроизвольное испускание
ядром одной или нескольких частиц,
сопровождающееся его превращением в
другое ядро (или переходом в другое
состояние). Основные виды радиоактивности
распады,
которые, несмотря на различие физических
процессов, описываются одним и тем же
уравнением
радиоактивного распада:
где
-
число нераспавшихся ядер к моменту
времени
,
постоянная
распада. Решение этого уравнения:
,
где
-
число ядер при
- называется законом
радиоактивного распада.
Число ядер, распадающихся в единицу времени, называют активностью радиоактивного образца А:
,
где
-
начальная активность образца. Кроме
постоянной
,
вводят период
полураспада
-
время за которое распадается половина
ядер (
,
а также среднее время жизни ядра
.
Введенные характеристики связаны
соотношениями:
,
.
Альфа - распад –
радиоактивное
превращение ядра, при котором испускается
ядро гелия
,
которое называют
- частицей и образуется ядро с порядковым
номером
и массовым числом
:
-
распад наблюдается только у тяжелых
ядер (
)
с энергией
-
частиц 4÷9 МэВ.
Бета
- распад –
радиоактивное превращение ядра, в
котором протон переходит в нейтрон (или
наоборот) и участвуют электроны (или
позитроны) и нейтрино (антинейтрино).
Основные типы
- распада:
а) Электронный
- распад:
(пример –
распад трития
)
б) Позитронный
- распад:
(пример
распад искусственного изотопа азота
)
в) Электронный К
- захват:
(пример захват
ядром бора электрона из К
- оболочки
,
обычно сопровождается характеристическим
рентгеновским излучением).
Важным отличием
- распадов, от других видов радиоактивности
является, то, что они затрагивают не все
ядро, а представляют акт превращения
одного нуклона в другой. Схемы таких
превращений для перечисленных выше
примеров таковы: а)
б)
в)
Гамма
– распад – наблюдается
при переходах возбужденного ядра на
более низкие энергетические уровни без
изменения
и
,
но с испусканием
-
квантов. Свободный нуклон не может
испускать
-
квант, поскольку это запрещено законами
сохранения энергии и импульса. Однако
внутри ядра импульс перераспределяется
между всеми нуклонами, и излучение
становится возможным. Испусканием
-
квантов, таким образом, является не
внутринуклонным, а внутриядерным
процессом.
Ядерной реакцией называется процесс перестройки ядра вида:
,
где:
-
налетающая частица,
-
начальное ядро,
-
конечное ядро, b
– вылетающая частица. Ядерные реакции
сопровождаются перестройкой ядра, т.е.
могут происходить только при сближении
вступающих в реакцию частиц до расстояния,
меньшего радиуса ядерного взаимодействия
м.
При заданном составе частиц на входе
реакции обычно реализуется несколько
вариантов состава частиц на выходе.
Например, результатом бомбардировки
ядер
протонами могут быть: упругое или
неупругое столкновение протона с ядром,
,
и т.д.