Melkumyan_A.A._Fizika_mikromira

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

имени И.М. ГУБКИНА

Кафедра физики

А.А. Мелкумян

ФИЗИКА МИКРОМИРА:

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Учебное пособие по курсу «Концепции современного естествознания»

Москва 2018

3

АТОМНОЕ ЯДРО

Представление о том, что практически вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре ничтожно малых размеров, возникло в результате опытов Резерфорда в 1911 году. Поскольку размеры ядер оказались в 100 000 раз меньше, чем размеры атомов, то в рамках атомной физики ядро можно было считать точечным кулоновским центром. В действительности, ядро представляет собой сложное образование сильновзаимодействующих частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Ядра могут испытывать радиоактивные превращения, вступать в ядерные реакции, распадаться и объединяться. Характерные энергии в этом ядерном мире порядка миллионов электронвольт. Поэтому в атомных процессах с энергиями в десятки и сотни электронвольт ядра выступают как стабильные объекты. Для сравнения, наше Солнце, работающее на ядерной энергии, может гореть многие миллиарды лет; если бы Солнце управлялось химическими реакциями, оно погасло бы за несколько миллионов лет.

Состав и свойства ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц, которые называются нуклонами протонов и нейтронов. Протон положительно заряженная частица с зарядом, равным заряду электрона, и массой mp = 1,67 10−27 кг. Нейтрон электрически нейтральная частица с массой чуть больше, чем масса протона. Состав атомного ядра определяется двумя целыми числами: зарядовым числом Z и массовым числом A. Массовое число равно количеству нуклонов в ядре; зарядовое число равно количеству протонов в ядре. Зарядовое число совпадает с номером элемента в таблице Менделеева и определяет его химические свойства. Атом-

4

ное ядро обозначают символом химического элемента, указывая в виде его левого верхнего индекса массовое число A, а в каче-. стве нижнего левого индекса – число Z, например: 4018 Ar и 4020 Ca Атомные ядра с одинаковым зарядовым числом и разными массовыми числами называются изотопами. ПРИМЕР: изотопы водорода 11 H (протий), 21 H (дейтерий), 31 H (тритий). Большинство ядер имеет форму, близкую к сферической; плотность вещества в ядре: ρ ≈ 1,8×1017 кг/м3. В ядерной физике массу атомных ядер и частиц принято выражать в энергетических единицах, используя формулу Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии покоя

(с = 3×108 м/с):

E = mc2, mp = 938,28 Мэв, mn = 939,52 Мэв.

Измеренныемассыядероказалисьменьше,чемсуммамасс составляющих их нуклонов. Для разделения ядра на нуклоны надо совершить работу, величину которой называют энергией связи

Рис. 1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа А

5

Контрольные вопросы

1.Из каких частиц состоит атомное ядро? Свойства этих ча-

стиц.

2.Какие числа определяют свойства атомного ядра? Их связь

стаблицей Менделеева.

3.Что такое изотопы? Какие изотопы водорода вы знаете?

4.Что такое энергия связи и дефект массы?

Темы докладов и рефератов

1.Свойства и состав атомного ядра.

2.Связь массы и энергии.

Ядерные силы и ядерные модели

Современной науке известны четыре вида взаимодействия: сильное (внутри атомного ядра), электромагнитное, слабое, гравитационное. В таблице 1 представлены значения константы взаимодействия (порядок величины), радиус действия и время жизни частиц – переносчиков взаимодействия.

Между нуклонами в ядре действуют ядерные силы притяжения, которые во много раз превосходят электромагнитные силы отталкивания между протонами. Эти силы короткодействующие с радиусом действия ≈ (2 2,5)10−15м. При удалении на расстоя-

6

ние больше этого ядерное взаимодействие исчезает; при сближении на расстояние в несколько раз меньше этого притяжение сменяется сильным отталкиванием.

В настоящее время не существует законченной теории атомного ядра, которая объясняла бы все его свойства. Это связано с двумя причинами: а) недостаточность знаний о силах взаимодействия между нуклонами; б) ядро система многих взаимодействующих частиц; задача многих тел в квантовой механике очень сложна, и до сих пор нет способов ее полного решения. Поэтому в ядерной физике важную роль играют модели, хорошо описывающие определенную совокупность ядерных свойств и допускающие сравнительно простую математическую трактовку. При этом каждая модель обладает ограниченными возможностями и не претендует на полное описание ядра. Первая модель структуры атомного ядра – капельная модель была предложена в 1936 году Нильсом Бором и независимо от него советским ученым Яковом Френкелем. В этой модели атомное ядро рассматривается как капля заряженной несжимаемой жидкости очень высокой плотности (1017 кг/м3). Вылет частиц из ядра рассматривался как испарение молекул из нагретой капли. Эта модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и помогла объяснить процессы деления тяжелых ядер, но не смогла объяснить, почему одни ядра устойчивы, а другие распадаются, и выяснить, как именно происходит распад ядер. Кроме того, капельная модель ядра никак не объясняла так называемые магические числа. Еще 1933 году американский физик В. Эльзассер заметил, что ядра с некоторыми определенными числами протонов и/или нейтронов более устойчивы, то есть реже бывают радиоактивными. Поэтому в любой земной породе атомов с такими ядрами больше, чем должно было быть при равномерном распределении: стабильные ядра остаются и накапливаются, в то время

7

как остальные распадаются. Самыми устойчивыми, являются ядра, у которых количество нейтронов и/или количество протонов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа называются магическими числами. Особенно стабильными являются так называемые «дважды магические» ядра: 42 He, 168 O, 4020 Ca, 2048 Ca, 20882 Pb. Капельная модель ядра никак не объясняла этот феномен, но объяснить его позволила созданная позднее оболочечная модель ядра, которая является гораздо более реалистичной. Эта модель была предложена в 1950 году независимо Марией Гиппер-Майер в США и Хансом Йенсеном в Германии. В ней считается, что каждый нуклон движется в усредненном поле других нуклонов ядра. Имеются дискретные энергетические уровни, заполненные в соответствии с принципом Паули. Эти уровни группируются в оболочки, на каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют устойчивые структуры, имеющие число протонов и нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Контрольные вопросы

1.Какие виды взаимодействия вы знаете? Сравните их характеристики (константа взаимодействия, переносчики взаимодействия, радиус действия, время жизни частиц – переносчиков взаимодействия).

2.Ядерные силы и их свойства.

3.Капельная модель атомного ядра.

4.Что такое магические числа?

5.Оболочечная модель атомного ядра.

Темы для докладов и рефератов

1.Виды взаимодействия.

2.Ядерные силы и их свойства.

3.Модели атомного ядра.

8

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное (спонтанное) превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием элементарных частиц. Такие превращения испытывают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: а) альфа распад, б) бета-распады, в) спонтанное деление тяжелых ядер, г) протонная радиоактивность (открыта советскими физиками в 1963 году ядро спонтанно испускает один или два протона). Радиоактивность, которая наблюдается у ядер, существующих в природе, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных в результате ядерных реакций, назы-

вается искусственной.

Альфа распадом называется самопроизвольное испускание атомным ядром α – частицы (ядра атома гелия He ).

Пример.

Уран испускает α частицу и превращается в торий

23892U 23490Th 24 He.

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами (А > 209), начиная с полония 21084 Po . Кинетическая энергия, с которой они вылетают из ядра, имеет порядок 4 9 Мэв, пробег в воздухе порядка нескольких сантиметров. Эта энергия расходуется на образование ионов вдоль траектории движения частицы.

Пример.

Применение α распада: многие помещения для соблюдения противопожарной безопасности оборудованы датчиками дыма, использующими α распад искусственного радиоактивного изотопа америция с получением нептуния в качестве дочернего ядра:

24195 Am 23793 Np 42 He .

9

Маленькое количество америция помещается между двумя металлическими пластинками, соединенными с батарейкой. Испущенные радиоактивным препаратом α частицы ионизируют воздух, позволяя маленькому, но измеряемому электрическому току течь между пластинами. Когда дым проникает в датчик, ионы воздуха прилипают к частицам дыма и становятся нейтральными молекулами. Это уменьшает ток, и срабатывает устройство тревоги. Такие датчики более чувствительны, чем фотоэлектрические, основанные на густоте дыма, заслоняющего световой луч.

Существует три вида β распада: а) электронный распад ядро испускает электрон; б) позитронный распад ядро испускает позитрон (античастицу электрона); в) электронный захват ядро поглощает один из электронов атома. При β-распадах массовое число А не меняется (масса электрона в 1836 раз меньше массы нуклона), а зарядовое число Z меняется на 1.

Пример 1: электронный распад – плутоний испускает электрон и превращается в америций

24194 Pu 24195 Am + −10 + ῦe

Пример 2: позитронный распад – изотоп азота 137 N испускает

позитрон и превращается в изотоп углерода

137N → 136C + +10 + νe

Закон радиоактивного распада показывает изменение количе-

ства нераспавшихся радиоактивных ядер N со временем:

N(t) = N0 −λ

N0 – количество ядер в начальный момент времени t0 = 0, λ – постоянная радиоактивного распада, зависящая от вещества. Время, за которое распадается половина имевшихся в начальный момент ядер, называется периодом полураспада:

N0 / 2 N0e T T ln 2

10