Пустынский Л.Н. Конспект лекций по Ядерной физике
.pdfОбнинский 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.
© Л.Н. Пустынский, 2003
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 |
4
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.
5
§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).
6
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 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
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.
7
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 |
|||||||||||||||||||||||||
Z |
|
|
|
- стабильные нуклиды |
|
18N 19N 20N 21N 22N 23N 24N |
|||||||||||||||||||
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17F |
18F |
19F |
20F |
21F |
|
|
|
8 |
Изобары (A – const) |
|
|
|
14O 15O 16O 17O 18O 19O |
|
|
|
|||||||||||||||||
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12N 13N 14N 15N 16N |
17N |
|
|
const) |
|
|||||||||
6 |
|
|
|
|
9C |
10C 11C 12C 13C 14C 15C |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
5 |
|
|
|
|
8 |
B |
9 |
B |
10 |
B |
11 |
B |
12 |
B |
13 |
B |
|
|
|
|
(N |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изотоны |
|
|||||||
4 |
|
|
6Be 7Be 8Be 9Bе 10Be |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
3 |
|
|
5 |
Li |
6 |
Li |
7 |
Li |
8 |
Li |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 |
|
3Hе 4Hе 5Hе 6He |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
1 |
1H |
2H |
3H |
4H |
|
|
|
|
|
|
Изотопы (Z – const) |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
01 n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
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. |
8
1. Известно более 2000 нуклидов, из них 265 нуклидов являются |
||||||||
стабильными нуклидами. |
|
|
|
|
|
|
||
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
3 |
|
|
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β+ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
9
(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-
10