Ядерная физика - Курс лекций МГУ / ядернаяфизика_01
.pdfИскусственнаярадиоактивность
«В наших последних экспериментах был обнаружен поразительный факт: при облучении алюминиевой фольги α-частицами испускание
позитронов не прекращалось немедленно после того, как источник α-частиц удалялся. Фольга
оставалась радиоактивной, интенсивность испускаемого излучения уменьшалась экспоненциально, как в случае обычного существующего в природе радиоактивного элемента. Такое же явление мы наблюдали с бором и магнием. При превращении бора, магния и алюминия под действием α-частиц появляются
новые радиоактивные элементы, испускающие позитроны. Вероятно, эти элементы представляют собой неизвестные изотопы, которые всегда нестабильны».
Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри.
При взаимодействии α-частиц с алюминием
происходила следующая реакция
α + 1327 Al → 1530 P + n
Образующийся при этом изотоп фосфора 30P представляет собой радиоактивный элемент, распадающийся с испусканием позитронов.
30 |
|
β+ |
30 |
Si |
15 |
P → |
14 |
||
T1 / 2 |
=2.5 мин |
|
||
Атомноеядро
Атомное ядро состоит
из нейтронов и протонов.
Z – заряд ядра, число протонов в ядре N – число нейтронов в ядре
A = N + Z – массовое число
208 |
Z = 82 |
82 Pb |
A = 208 |
|
N = 126 |
Ядра с одним и тем же значением Z, но с разными значениями A называются изотопами. Различные изотопы данного элемента обозначают, приписывая к символу химического элемента верхний индекс — массовое число A.
N-Z диаграммаатомныхядер
Zmin=1
Zmax=116
Изотопы Z = const Изобары A=const
Стабильные ядра группируются вблизи долины стабильности:
Z = |
|
A |
|
1.98 + 0.015A2 / 3 |
N-Z диаграммаатомныхядер
Различные комбинации чисел протонов Z и нейтронов N соответствуют различным атомным ядрам. Атомные ядра существуют (т.е. их время жизни τ > 10-23 c)
в довольно узком диапазоне изменений чисел Z и N. Все атомные ядра делятся на две большие группы — стабильные и радиоактивные. Стабильные ядра группируются вблизи долины стабильности:
A
Z= 1.98 + 0.015A2 / 3
Слевой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Обнаруженное в настоящее время число радиоактивных ядер около 3,5 тысяч. Считается, что всего их должно быть 7–7,5 тысяч. Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β+-распадов. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β−-распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.
Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). В тяжелых ядрах происходят также α-распад и спонтанное деление,
которые становятся их основными каналами распада.
КакустроенМир. 30-егодыХХвека
e, p, n
В середине 30-х годов XX века физическая картина мира строилась исходя из трёх элементарных частиц — электрона, протона и нейтрона. Вещество состоит из атомов и молекул, в состав атома входят электроны. Основную массу атома составляет атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов.
Новаяфизиканарубежевеков
Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом изучения строения вещества в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном был открыт электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. К концу XIX века преобладало мнение, что все проблемы механики, гравитации и электромагнетизма можно решить, используя уравнения Ньютона и Максвелла. Так, теория Максвелла предсказывала непрерывный спектр излучения электронов, падающих по спирали на атомное ядро. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений о строении материи. В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:
•специальная теория относительности;
•квантовая теория.
Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира.
1905 Специальнаятеория относительности
Эквивалентность массы и энергии.
E = mc2
Albert Einstein
(1879 - 1955)
Законы физики должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, движущихся относительно друг друга поступательно и равномерно.
Свет распространяется в вакууме с постоянной
скоростью
c = 299722458 м/ сек
одинаковой для всех движущихся наблюдателей.
Г. Галилей Г. Лоренц
1564 – 1642 1853 – 1928
x' = x - vt, |
|
x' = γ(x – vt), |
||
y' = y, |
|
y' = y, |
|
|
z' = z, |
|
z' = z, |
|
|
t' = t |
|
t' = γ(t - βx/c) |
||
|
β = |
v |
, γ = |
1 |
|
|
1−β2 |
||
|
|
c |
||
Принципотносительности
Согласно принципу относительности Галилея законы механики остаются неизменными во всех инерциальных системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью v друг относительно друга.
Для того, чтобы выразить положение тела в одной из этих систем отсчета через координаты другой системы отсчета, используют преобразования Галилея.
Если система x', y', z', t' движется относительно неподвижной системы x, y, z, t со скоростью v, направленной вдоль оси z, то связь между пространственными и временными координатами при переходе от одной системы к другой в механике Ньютона описывается с помощью преобразований Галилея.
Расстояние является характеристикой пространства. Длительность (временной промежуток между двумя событиями) является характеристикой времени. Следовательно, скорость связывает понятия пространства и времени.
Событие описывается четырьмя переменными: три определяют положение тела в пространстве, четвертая — во времени.
В механике Ньютона время является абсолютной величиной, не зависящей от системы отсчета — одинаковой во всех системах отсчета. Казалось очевидным, что расстояние между двумя точками в пространстве в данный момент времени является абсолютной величиной, не зависящей от способа наблюдения. То же самое относилось и к интервалу времени между двумя событиями. Однако такой способ описания оказался непригодным для описания электромагнитных явлений. Разрешение этой проблемы привело к созданию специальной теории относительности.
Математической основой специальной теории относительности является преобразование Лоренца. Полная энергия E и импульс P частицы зависят от системы отсчета. Если энергия E и импульс P измеряются в двух различных системах, движущихся друг относительно друга, то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина E2 – p2c2 будет в обоих системах одинаковой. Она является лоренцевым инвариантом.
Полная энергия E, импульс P и масса M связаны соотношением.
E 2 − p2 c2 = m2 c4
Масса не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Пример
Определить скорость частицы V, кинетическая энергия которой равна её энергии покоя.
_________________
Полная энергия релятивистской частицы
E =T +mc2 = |
|
mc2 |
||
|
1-v2 /c2 |
|||
В случае T = mc2, получаем |
|
|||
|
|
|
||
2mc2 = |
|
mc2 |
||
|
|
|
|
|
1-v2 /c2
откуда V = 23 c = 0.87 c.