8. Основы физики ядра

8.1. Основные свойства и строение ядра

Ядро - центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомы ядра состоят из протонов (р) и нейтронов (n), которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Нейтрон не имеет заряда.

Ядро химического элемента обозначится , где X – символ химического элемента, z – порядковый номер в таблице Менделеева, равный числу протонов в ядре, А - массовое число, равное числу нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре, следовательно, число нейтронов в ядре N = A - Z, заряд ядра . Ядра с одинаковыми z, по различным А называются изотопами (например - , - изотопы водорода).

Размер ядра характеризуется радиусом, равным

, (8.1)

где .

Плотность ядерного вещества постоянна для всех ядер и составляет ≈ .

Между нуклонами в ядре существует сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов. Ядерные силы являются короткодействующими и проявляются лишь на расстояниях между нуклонами порядка . Они обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от их зарядового состояния. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь ограниченным числом ближайших к нему соседей. Наконец, ядерные силы не являются центральными и зависят от ориентации взаимодействующих нуклонов.

Одной из важнейших величин, характеризующих прочность ядра, является энергия связи ядра. Она определяется работой, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны. Мерой энергии связи ядра служит дефект массы, характеризующий уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов

,

или

(8.2)

где и - массы протона и нейтрона, - масса водорода, - масса ядра, -масса атома.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон

, (8.3 )

называется удельной энергией связи. Она зависит от массового числа элемента. Для легких ядер удельная энергия связи круто возрастает до 6-7 МэВ, затем более медленно возрастает до максимальной величины 8.7 МэВ у элементов с А = 50-60, а потом постепенно уменьшается у тяжёлых элементов. Таким образом, наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Это означает, что энергетически выгодно как деление тяжёлых ядер на более лёгкие, так и слияние лёгких ядер в более тяжёлые.

8.2. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Под радиоактивностью понимается способность некоторых изотопов одного химического элемента самопроизвольно превращаться в изотопы другого элемента с испусканием различных видов излучений. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним. К основным типам радиоактивности относят - и - распад.

Альфа-распад является свойством тяжёлых ядер (А>200), внутри которых происходит обособление двух протонов и двух нейтронов (α - частицы) и их вылет из ядра. Правило смещения, в основе которого лежат законы сохранения заряда и массового числа, позволяет установить, какое ядро возникает при распаде данного материнского ядра

, ( 8.4)

где -ядро гелия (α-частица).

Энергетическая схема α - распада представлена на рис.8.1.

Видно, что α - частицы имеют определённые значения энергии. Это связано с тем, что ядра обладают дискретными энергетическими уровнями и возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается в различных возбуждённых состояниях (ΔΕ – превышение энергии дочернего ядра и α частицы над энергией покоя дочернего ядра). Его переход в основное состояние сопровождается γ - излучением.

К β- распаду относятся электронный ( ) и позитрон -ный ( ) распады, а также электронный захват (К - захват), которые подчиняются следующим правилам смещения:

- распад

- распад

где - электрон, - позитрон (античастица электрона).

Данные распады происходят путём самопроизвольного превращения одного вида нуклона в ядре в другой (нейтрона в протон или протона в нейтрон). Эти превращения совершаются по схемам

где и -электронные нейтрино и антинейтрино, имеющие нулевой заряд и весьма малую массу.

В случае К – захвата превращение протона в нейтрон происходит по схеме

и заключается в том, что протон как бы “захватывает” один из электронов на ближайшей к ядру К - оболочке атома. При этом, электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, обусловленным переходом электронов атома с вышестоящих оболочек на К- оболочку.

Энергетический спектр - частиц является непрерывным, что связано с хаотическим распределением уносимой энергии между -частицей и нейтрино. - распад также сопровождается -излучением, испускаемым дочерним ядром при его переходе в основное состояние.

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада

, (8.5)

где - начальное число ядер, N - число не распавшихся ядер в момент времени t, - постоянная радиоактивного распада.

Промежуток времени, за который первоначальное количество ядер распадается на половину, называется периодом полураспада. Согласно (8.5)

. (8.6)

Среднее время жизни радиоактивного изотопа является величиной, обратной постоянной радиоактивного распада, т.е.

. (8.7)

Интенсивность радиоактивного распада характеризует активность распада

(8.8)

Данная величина представляет собой число распадов радиоактивного вещества за единицу времени. Активность, отнесённая к единице массы вещества, называется удельной активностью.

Единица активности в СИ - беккерель (Бк) - активность, при которой за 1с происходит один акт распада. Внесистемная единица активности–Кюри (Ки):

1 Ки = Бк.