Добавил:

InExtremo2023 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Обнинский институт атомной энергетики НИЯУ МИФИ

Предмет:

Ядерная физика

Файл:

Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике

.pdf

Скачиваний:

144

Добавлен:

28.03.2021

Размер:

2.39 Mб

Скачать

☆

1 / 221 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

Обнинский государственный технический университет

атомной энергетики

Кафедра ядерной физики

Л.Н. Пустынский

Конспект лекций по ядерной физике

Учебное пособие по курсу «Ядерная и нейтронная физика».

Электронная версия.

Обнинск, 2003

Пустынский Л.Н. Конспект лекций по ядерной физике. Учебное пособие по курсу «Ядерная и нейтронная физика».

Электронная версия. –Обнинск, ИАТЭ, 2003. –215с.

Пособие представляет электронную версию конспекта лекций, которые автор читал по курсам «Ядерная физика» и «Ядерная и нейтронная физика» в 1999 – 2003 учебных годах для различных специальностей университета. Пособие написано в полном соответствии с рабочими программами и может быть рекомендовано как основное пособие при подготовке к сдаче экзамена по читаемым курсам. Автор выражает признательность проф. В.С. Ставинскому за ценные и полезные замечания и чтит его память.

Автор заранее выражает признательность всем прочитавшим данное пособие и сделавшим замечания автору.

Содержание

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АТОМНЫХ ЯДЕР ..................................................................................	5
§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра. ...............................	6
§1.2. Электрический заряд ядра..................................................	10
§1.3. Масса ядра и масса атома ..................................................	12
§1.4. Энергетические характеристики ядра ...............................	16
§1.5. Размер ядра .........................................................................	25
§1.6. Спин, магнитный и электрический моменты ядер ...........	28
1. Спин ядра .............................................................................	28
2. Магнитный момент ядра .....................................................	33
3. Электрический момент ядра ...............................................	39
§1.7. Возбужденные состояния ядер ..........................................	42
§1.8. Четность ..............................................................................	45
§1.9. Ядерные силы .....................................................................	48
§1.10. Изотопический спин .........................................................	58
§1.11. Статистика.........................................................................	61
ГЛАВА 2. МОДЕЛИ АТОМНЫХ ЯДЕР.......................................	67
§2.1. Необходимость и классификация моделей .......................	67
§2.2. Капельная модель ...............................................................	68
§2.3. Оболочечная модель...........................................................	75
ГЛАВА 3. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР ...........	83
§3.1. Определение, виды радиоактивности, радиоактивные
семейства...........................................................................................	83
§3.2. Основные законы радиоактивного распада ......................	87
§3.3. Активация ...........................................................................	94
§3.4. Альфа – распад....................................................................	95
§3.5. Бета – распад .....................................................................	105
3

§3.6. Гамма–излучение ядер .....................................................		123
ГЛАВА 4. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ................................................		134
§4.1.Основные понятия и классификация ...............................		134
§4.2. Механизм ядерных реакций.............................................		136
§4.3. Сечения ядерных реакций................................................		139
§4.4. Законы сохранения в ядерных реакциях.........................		145
§4.5. Кинематика ядерных реакций. Импульсная диаграмма 150
§4.6. Реакции под действием заряженных частиц...................		158
1.	Общие свойства .................................................................	158
2.	Реакции под действием α-частиц .....................................	161
3.	Реакции под действием протонов.....................................	163
4.	Реакции под действием дейтонов .....................................	165
§4.7. Термоядерный синтез .......................................................		167
§4.8. Фотоядерные реакции ......................................................		172
§4.9. Реакции под действием нейтронов..................................		176
1.	Основные свойства нейтронов .........................................	176
2.	Источники нейтронов........................................................	180
3.	Энергетические группы ....................................................	182
4.	Взаимодействие нейтронов с ядрами...............................	186
5.	Резонансные процессы ......................................................	191
ГЛАВА 5. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР .........................................................		197
§5.1. Открытие и капельная модель .........................................		197
§5.2. Основные свойства вынужденного деления...................		202
§5.3. Цепная реакция деления ..................................................		210

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМНЫХ ЯДЕР

В настоящее время твердо установлено и нет сомнений в том, что атом состоит из электронов (Дж. Томсон, 1897), и ядра (Э. Резерфорд, 1911). Атомные ядра обладают целым рядом индивидуальных свойств, которые позволяют отличать ядра отдельных химических элементов друг от друга, и в то же время являются общими характеристиками для всех ядер.

Атомные ядра могут быть стабильными, т.е. живущими неограниченно долго, и нестабильными, испытывающие спонтанные (самопроизвольные) радиоактивные превращения.

Все атомные ядра имеют следующие характеристики: число нуклонов в ядре; электрический заряд ядра; масса ядра; энергия связи ядра; размер ядра; спин ядра; магнитный и электрический моменты ядра; четность волновой функции; изотопический спин; статистику.

Нестабильные ядра имеют ряд дополнительных характеристик, таких как тип радиоактивного превращения, среднее время жизни, энергия, выделяемая при распаде.

Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях и как любая квантовая система имеют свою индивидуальную, присущую только ядру данного нуклида, систему энергетических уровней. Состояние ядра с наименьшей энергией называется основным, остальные – возбужденными. Ядра в возбужденных состояниях неустойчивы и, в отличие от основных состояний, могут находиться в возбужденных состояниях ограниченное время, испытывая спонтанные переходы в состояния с меньшей энергией.

Ниже будет показано (см. §1.7), что разделение на стабильные, нестабильные и возбужденные ядра является до некоторой степени условным, так как они могут характеризоваться рядом общих свойств.

§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра.

Все вещества состоят из молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Атом же состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и равен ≈ 10-8 см. Ядро – центральная массивная часть атома имеет размеры ≈ 10-13 1012 см (1 – 10 Фм (ферми)). Следовательно, размер ядра меньше атома в 104 – 105 раз.

Ядро состоит из особых частиц (Гейзенберг, Иваненко) - протонов (Резерфорд, 1919) и нейтронов (Чедвик, 1932). Протон имеет один положительный элементарный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют особые (ядерные) силы, не зависящие от электрического заряда частиц, которые обеспечивают связь отдельных протонов и нейтронов с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий термин нуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, - так и нейтрон.

Число нуклонов в ядре обозначается буквой А и называется мас-

совым числом.

Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z – число электронов в атоме с ядром, имеющим Z протонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Так как химические свойства элементов определяются числом электронов в атоме, то Z есть также порядковый или атомный номер элемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядре N = A – Z.

Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

Атом с ядром, имеющее конкретные значения A и Z, называют нуклидом, а совокупность нуклидов с одинаковым Z - химическим элементом. Число Z полностью определяет химический элемент, а числа Z и A - нуклид. Для обозначения нуклида используют две

формы записи: (А,Z) или	А		,	где Х - символ химического элемен-
	Z Х
та. Например, (12,6) или	12	С	-	соответствующий нуклид углерода.
	6

Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z, то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химиче-

ского элемента опускают и пишут просто	12	С	. Такие же

обозначения используются и для ядер.

Нуклиды, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z, но различаются числом нуклонов А, называются изотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. раз-

личаются физическими свойствами. Например:	1	H,	2	H,	3	H	изотопы
		H,		H,		H

водорода. 1Н - протий (легкий водород); 1Н - дейтерий (тяжелый водород, употребляют также символ D, для ядра - d); 3Н - тритий (сверхтяжелый водород, употребляют также символ T, для ядра d); 233U, 235U, 238U - изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому 235U - делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом 3Н - радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z, называют изобарами. Например: 3Н и 3Не - изобары трития и гелия, 10Ве, 10В, 10С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра назы-

вают изотонами. Например, 2Н и 3Не - изотоны водорода и гелия.

Свойства ядер различных нуклидов можно систематизировать с

помощью протонно-нейтронной диаграммы (диаграммы Сегре) –

таблицы, строки которой соответствуют нуклидам с одинаковым

- стабильные нуклиды

18N 19N 20N 21N 22N 23N 24N

17F

18F

19F

20F

21F

Изобары (A – const)

14O 15O 16O 17O 18O 19O

12N 13N 14N 15N 16N

17N

const)

10C 11C 12C 13C 14C 15C

–

Изотоны

6Be 7Be 8Be 9Bе 10Be

3Hе 4Hе 5Hе 6He

Изотопы (Z – const)

01 n

Рис. 1.1.1

числом протонов, а столбцы – нуклидам с одинаковым числом

нейтронов. На рис.1.1.1 показан принцип построения протонно-

нейтронной диаграммы на примере нуклидов с легкими ядрами.

Протонно-нейтронная диаграмма для всех известных нуклидов при-

ведена на рис.1.1.2.

Отметим следующие эмпирические факты и закономерности, ко-

торые следуют из протонно-нейтронной диаграммы атомных ядер.

1. Известно более 2000 нуклидов, из них 265 нуклидов являются
стабильными нуклидами.
Z
100
			2		3
80
	β+	1
	β+
60
Sp= 0
40
					Sn= 0
20
20	40		60	80	100	120	140	N
	Рис. 1.1.2. Протонно-нейтронная диаграмма.
	1 – «дорожка» β-стабильных ядер (265 ядер);
	2 – область β – активных ядер (> 1700 ядер);

3– область нуклоностабильных ядер (теоретическая оценка).

2.Нуклиды с официальными названиями имеют Z от 0 (нейтрон) до 109 (мейтнерий). Для существующих в природе ядер Z меняется от 1 (водород) до 92 (уран). Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z = 0, 43, 61 и

Z 84.

3. Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных нуклидов при А = 5, 8 и при А

210.

4. Область протонно-нейтронной диаграмы, где располагаются β-стабильные нуклиды (заштрихованная полоса 1 на рис.1.1.2), называется дорожкой стабильности. Легкие стабильные нуклиды

(до Z ≤ 20) содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. С ростом массового числа А относительная доля

нейтронов возрастает. Например, у легкого нуклида 126 C N/Z = 1; у

среднего нуклида	56	N/Z = 1,15; у тяжелого нуклида
	26 Fe
238
92 U N/Z = 59. Опережающий рост числа нейтронов при больших А

вызван действием дальнодействующих кулоновских сил взаимного отталкивания протонов в ядре.

5. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных и -активных нуклидов. Некоторые элементы имеют (см. рис.1.1.1) всего по одному стабильному нуклиду (9Be, 19F, 23Na), остальные - по 2 ÷ 3 стабильных нуклидов. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов.

6.Выше дорожки стабильности располагаются β+-активные нуклиды, ниже – β--активные нуклиды.

7.Свойства ядер существенно зависят от четности чисел Z и N. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют четночетные ядра (Z – четно, N – четно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с четно-нечетным и нечетно-четным количеством нуклонов в составе ядер. И имеется всего четыре стабильных нуклида (2Н, 6Li, 10В и 14N), имеющих нечетно-нечетный состав ядер.

§1.2. Электрический заряд ядра

Ядро имеет положительный электрический заряд, который образуют протоны. Число протонов Z называют зарядом ядра, подразумевая, что он равен величине Ze Кл, где е = 1,602 10-19 Кл (4,8 10-10 CГCЕ ед.) – абсолютная величина элементарного электрического заряда.

Заряд ядра был определен в 1913 г. Мозли, который измерил с помощью дифракции на кристаллах длину λ волны характеристиче-

1 / 221 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Ядерная физика