Раздел V. Атомная и ядерная физика. Глава 6. Элементы ядерной физики.
1.Состав ядра.
Ядро атома водорода состоит из одного протона. Все остальные ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые имеют общее название нуклоны.
Протон mp 938,28 МэВ |
(mpc2 ) |
|
|||||
qp e |
|
|
|
|
|||
спин |
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
магнитный момент p 2,79 Я |
|||||||
Я |
|
e |
5,05 10 24 |
эрг |
- ядерный |
||
2mpc |
гс |
||||||
|
|
|
|
||||
магнетон Бора
Нейтрон mn 939,57 МэВ qn 0
спин 1 2
n 1,91 Я
Всвободном состоянии нейтрон нестабилен:
n p e ~e |
12мин (период полураспада) |
Для обозначения ядер применяют символ
ZA X |
Z – число протонов |
A=N+Z – число нуклонов Ядра с одинаковыми Z, но с разными А – изотопы. Пример: изотопы водорода. 11H - водород
12H - дейтерий
13H - тритий
Размеры ядер:
1
r r0 A3
r0 1,3 10 13 см 1,3ферми
Соотношение протонов и нейтронов: N Z легкие ядра
N (1 1,5)Z
тяжелые
Энергия связи ядра:
Eсв c2 Zmp Nmn mЯ
(масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов). Зависимость удельной энергии связи Eсв /A от А имеет вид:
Энергетически возможны два процесса:
а) деление тяжелых ядер б) слияние легких
Взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется посредством сильного взаимодействия. Основные особенности сильного взаимодействия:
-короткодействующее ~10-13см
-не зависит от электрического заряда нуклона
-зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов
(12H существует только когда спины )
-нецентральное (связано с предыдущим свойством)
-обладает насыщением (каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов), проявляется в том, что удельная энергия связи ядра остается примерно постоянной с ростом числа нуклонов при А>50.
2. Радиоактивность.
Закон радиоактивного распада:
dN Ndt |
N N 0e t |
|
|
NN0 2 t /T
- постоянная распада
T ln2 - период полураспада
N – количество нераспавшихся ядер |
|
|
||||
а) - распад |
AX A 4Y 4He |
E |
~ 6МэВ |
|||
|
Z |
Z 2 2 |
|
|
|
|
|
238U 234Th 4He |
V |
~109 |
см |
||
|
|
|||||
|
92 |
90 |
2 |
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(торий) |
( -частица) |
|||
Пробег -частиц в воздухе ~ нескольких см б) - распад ZA X Z A1Y e ~e
23490Th 23491Pa e ~e
(торий) (протактиний)
Процесс протекает так, как если бы один из нейтронов превратился в протон n p e ~e
Спектр электронов непрерывный и ограничен:
Emax c2 mx m y me
При Е<Emax разницу
Emax E уносит нейтрино
(это и было экспериментальным
основанием существования нейтрино)
Emax ~1МэВ, пробег электронов в воздухе ~ метра.
в) - излучение (фотоны больших энергий) При и распадах дочернее ядро Y может появляться не только в нормальном, но и
возбужденном состоянии. Время жизни возбужденных состояний большинства ядер составляет
~10 8 10 15 c.
Девозбуждение может происходить разными способами, один из которых – излучение - кванта.
E ~ 0,5МэВ. Пробег в воздухе ~ километр, бетон
толщиной 10 см ослабляет в ~ 2 раза.
3.Деление ядер.
При облучении некоторых тяжелых элементов нейтронами происходит деление ядра на осколки примерно равной массы с выделением большой энергии ~ 200МэВ.
23592U n 14055 Cs 3794Rb 2n
Важным обстоятельством является то, что при делении образуется 2-3 нейтрона, которые в свою очередь могут инициировать деление следующих ядерцепная реакция взрыв.
4.Реакции синтеза.
Слияние легких ядер, как и деление тяжелых, сопровождается выделением большой энергии. В реакции
12Н 13H 24He n
выделяется 17,6 МэВ, используется в водородной бомбе. Трудность осуществления реакции синтеза заключается в том, что ядра должны преодолеть кулоновское отталкивание, т.е. обладать достаточной кинетической энергией.
E z1z2e2 rЯ
Даже для ядер изотопов водорода (z1 z2 1)
E ~ 0,7МэВ необходимы температуры 107 108 К
Вопросы.
1.Что такое нуклоны.
2.Энергия связи ядра.
3.Закон радиоактивного распада.
4.Что такое - распад.
5.Что такое - распад.
6.Что такое - распад.
7.Реакции деления ядер.
8.Реакции синтеза ядер.