Лекция 24.

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

24.1. Атомное ядро, его основные характеристики

Атомное ядро состоит их ядерных частиц (нуклонов), т.е. протонов p и нейтронов n. Протон обладает зарядом +e и имеет массу =1,00728 а.е.м. одна а.е.м. равна 1,6606 10^-27 кг и равна 1/12 массы изотопа углерода . Масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой близкой к массе протона. Количество протонов в ядре нейтрального атома равно числу электронов Z в его оболочке. Известно, что Z - порядковый номер элемента. Заряд ядра, определяющий индивидуальность атома равен + Z_e, т. е. заряду входящих в него протонов.

Массы атомов мало отличаются от массы их ядер (электроны по массе << массы ядра). Полное число протонов и нейтронов дает массовое число А, т.е.

A=Z+N (24.1)

Ядро обозначается символом элемента, но с двумя индексами (). При этом Z=6; А=12. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Т. к. свойства элемента определяется числом электронов, то изотопы имеют одинаковые физические и химические свойства.

Примеры изотопов:

Радиус ядра определяется формулой R_я»1.3см. (почти в 10⁶ раз меньше радиуса атома ). Объем ядра пропорционален его массе, т.е. числу содержащихся в нем нуклонов.

Как протон, так и нейтрон обладают спином, равным ? и, следовательно, магнитным моментом. Единицей магнитного момента для нуклонов является ядерный магнетон , который в 1836 раз меньше магнетона Бора. Спин ядра является векторной суммой спинов нуклонов. Спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируются. Ядра с отличным от нуля спином обладают магнитным моментом, т.е. являются парамагнитными. В связи с этим был разработан метод исследования ядер - ядерный парамагнитный резонанс (ЯМР).

24.2. Энергия связи ядра. Ядерные силы.

Если сравнить сумму масс покоя нуклонов, образующих ядро, с массой ядра (с помощью масс-спектрометра ), то окажется, что выполняется неравенство

Zm_p + Nm_n > m_z (24.2)

Разность (Zm_p + Nm_n) - m_z =Dm называется дефект от массы. Соответственно отличаются друг от друга полная энергия частиц, образующих ядро, и полная энергия самого ядра.

Разность

(Z*m_p + Nm_n*m_n )*c²– m_яc² = DE (24.3)

называют энергией связи. Энергия связи определяет наименьшую энергию, которую необходимо затратить для разделения ядра на отдельные нуклоны. Для практических целей важнее знать величину , т.е. удельную энергию связи. Она характеризует устойчивость ядер. Чем больше DW, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа А элемента (рис. 24.1). Для легких ядер (А<=12) удельная энергия связи мала и резко возрастает при А=50-60. Затем у тяжелых элементов постепенно уменьшается.

Рис. 24.1 Максимальное значение достигает 8,7МэВ. Сравнивая с энергией связи валентных электронов в атоме заметим, что она в 10⁶ раз меньше.

Наиболее устойчивыми оказываются магические ядра (число нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50). Есть и дважды магические ядра, их пять:. Они особенно стабильны. Характер зависимости W(А) показывает, что энергетически выгодны два процесса: деление тяжелых ядер и слияние легких ядер. Оба процесса сопровождаются огромным количеством выделяемой энергии.

Между нуклонами в ядре действуют ядерные силы связывающие их. Эти силы намного превышают все известные до них. Приведем некоторые свойства ядерных сил. Они коротко действующие, радиус действия около 10^-13 см. Их природа не электрическая и не гравитационная, т.к. они обладают зарядовой независимостью. Ядерным силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Действие сил зависит от ориентации спинов. Ядерные силы не являются центральными, т.е. действуют не обязательно по линии соединяющей центры нуклонов.

24.3. Модель ядра. Естественная радиоактивность.

В настоящее время нет единой последовательной теории атомного ядра. Поэтому при рассмотрении различных ядерных процессов используются несколько моделей ядра.

Наиболее известны капельная модель (Бор и Френкель) и оболочечная модель (Гепперт-Майер, Йенсен). Капельная модель построена на некоторой схожести свойств ядра и капли жидкости. Ядро - капля нейтронно-протонной жидкости, но процессы , происходящие внутри ядра подчиняются законам квантовой механики. Хорошо объясняла механизм реакции деления ядер.

Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным уровням (оболочкам), заполненными по принципу Паули. При этом ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивые (магические). Модель объясняет спин и магнитные моменты ядер.

Существует и оптическая модель ядра (синтез капельной и оболочечной). Применяется только при изучении взаимодействия ядер с налетающими частицами.

Естественная радиоактивность заключается в способности некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц,.

Это явление было открыто А. Беккерелем (1896 г.), изучалось П. Кюри и М. Кюри . Радиоактивность свойственна тяжелым элементам. Если образующиеся в результате превращения ядро, также оказывается неустойчивым, то оно испытывает дальнейшие превращения, пока не образуется стабильное ядро.

Экспериментально установлено, что на скорость радиоактивного распада внешние условия (температура, давление, химические реакции) не оказывает ни какого влияния. Это доказывает, что радиоактивность обусловлена процессами, происходящими в ядрах элементов, причем радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга.

Радиактивное излучение бывает трех типов: ,  и  - излучение.

Установлено, что для ядер радиоактивных элементов существует определенная вероятность l испытать превращение в единицу времени. Тогда доля ядер испытавших превращение за время dt определится выражением

dN = -lNdt

где N - общее число имеющихся ядер.

Это дает возможность найти закон радиоактивного распада:

, откуда

(24.4)

Здесь N₀ - первоначальное количество неустойчивых ядер. Величина l - называется постоянной распада и характеризует данный конкретный химический элемент.

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада T. Она определяется из закона радиоактивного распада , откуда

(24.5)

Для различных химических элементов величина Т меняется в пределах от 3*10^-7 сек. до 5*10¹⁵ лет. Наиболее часто встречающимся типом распада являются a-распад и b - распад. При a - распаде радиоактивное ядро испускает ядро атома Не:

a - распад сопровождается обычно испусканием g - лучей. При b -распаде испускается одновременно 2 частицы: электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино:

Нейтрино нейтральная элементарная частица с нулевой массой покоя. Антинейтрино - соответствующая ей античастица. Существование этих частиц было предсказано В. Паули на основании того, что при -распаде (без учета нейтрино) нарушился баланс энергии. В настоящее время нейтрино обнаружены экспериментально.

При всех радиоактивных превращениях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса (спина) и заряда. Сохраняется также и массовое число. Это позволяет по реакциям распада предсказывать, какой химический элемент возникает в качестве продукта реакции (закон смещения).

Ядерные излучения оказывают поражающие действие на живые существа. Воздействие излучений характеризуют дозой ионизирующего излучения.

Поглощенная доза излучения - это величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы излучения - грей (Гр). При этом 1Гр = 1 Дж/кг.

Экспозиционная доза излучения - это величина равная отношению суммы электрических зарядов в облученном воздухе (результат ионизации) к массе этого воздуха. Единица - (Кл/кг); внесистемная единица - рентген (Р). 1Р=2,58*10^-4 Кл/кг.

Биологическая доза - величина, определяющая воздействие излучения на организм. Единица - биологический эквивалент рентгена (БЭР). Он равен дозе любого вида излучения, который вызывает тот же биологический эффект, как и доза рентгеновского или  - излучения в 1 Р.

Лекция 25. ОБЗОРНАЯ ЛЕКЦИЯ