Теоретическое введение к лабораторному практикуму по физике атомного ядра

Основные характеристики и свойства атомных ядер

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон (или) - атомное ядро самого легкого изотопа водорода, его масса, заряд равен элементарному заряду. Протон обладает полуцелым спиноми магнитным моментом.

Нейтрон () – частица, встречающаяся в природе только в составе атомных ядер и в небольшом количестве в составе космического излучения. Его электрический заряд равен нулю, масса, спин, магнитным моментом. Магнитный момент и спин нейтрона направлены в противоположные стороны.

«Свободный», т.е. не входящий в состав атомного ядра, нейтрон самопроизвольно превращается в протон

.

Период его полураспада равен 12 минутам. Нейтроны и протоны, таким образом, способны к взаимным превращениям.

Заряд ядра +Zеопределяется порядковым номером химического элементаZ в периодической таблице Менделеева, и равен числу протонов в ядре. Массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядреА = Z + N, гдеN– число нейтронов.

Ядра одного и того же элемента с различным числом нейтронов называются изотопами, ядра различных элементов с одинаковым массовым числом называются изобарами.

Радиус ядра пропорционален числу нуклонов в нем , гдеПлотность ядерного вещества составляет по порядку величину, она значительно превосходит плотности самых плотных веществ.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра

,

где I= 0, 1/2, 1, 3/2, 2 …– внутреннее квантовое число.

Магнитный момент ядра определяется магнитными моментами ядерных частиц.

Устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименных заряженных протонов, обеспечивают ядерные силы, относящиеся к классу сильных взаимодействий. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения, обладающими зарядовой независимостью. Они не являются центральными силами, зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов, и имеют способность к насыщению.

Для того чтобы ядро расщепить на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, называемую энергией связи ядра

,

где - дефект масс - величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии1 а.е.м. = 931,5 МэВ.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивей ядро. Наиболее стабильные ядра с атомной массой А~60. Из зависимости удельной энергии связи от атомной массы (рис.1) следует, что энергетически выгодны процессы слияния легких ядер в более тяжелые, и деление тяжелых ядер на более легкие.

Рис.1

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии.

Для описания свойств ядра рассматриваются капельная и оболочная модели ядра. Капельная модель трактует ядро, как каплю электрически заряженной жидкости с ядерной плотностью, подчиняющуюся законам квантовой механики. Эта модель объясняет механизмы ядерных реакций, реакции деления, энергию связи в ядре. Оболочная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполненными нуклонами, согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Эта модель объясняет магнитные моменты атомов, спины, различную устойчивость атомных ядер, периодичность свойств.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. К числу радиоактивных процессов относятся:1)-распад, 2)-распад (в том числе электронный захват),3)-излучение, 4)спонтанное деление тяжелых ядер, 5)протонная радиоактивность.

Закон радиоактивного распада выражается формулой:

N=N₀e^–t,

где N и N₀ –соответственно число нераспавшихся ядер в момент времени t и t = 0;  – постоянная радиоактивного распада, имеющая смысл вероятности распада ядер за 1сек. Величина- является средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Г

Рис.2

рафик закона радиоактивного распада показан на рисунке 2. Число радиоактивных ядер убывает по экспоненциальному закону.

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является период полураспадаT_½ – промежутком времени, за который распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. Период полураспада принимает значения отдлядодля.

Связь между периодом полураспада T_½ и постоянной радиоактивного распада можно получить из закона радиоактивного распада, приняв :

N_/N₀ = e^–t = 1_/2.

Логарифмируя и решая это уравнение, получаем

T_½ = ln2_/ =0,693_/.

Число распадов, происходящее с ядрами образца за единицу времени называется активностью радиоактивного препарата

A==N₀e^–t = А₀e^–t.

В системе СИ за единицу активности принимается1 Бк(Беккерель) – это активность ядра, при которой происходит один распад в секунду (расп/с). Внесистемной единицей активности является Кюри (Ku) –активность препарата, в котором в 1с происходит 3,710¹⁰ распадов.

При прохождении радиоактивного излучения через вещество происходит его поглощение, т.е. интенсивность излучения ослабевает. В частности, интенсивность-лучей, -частиц по мере прохождения их в веществе ослабевает по закону:

I=I₀ e^–x,

где I –интенсивность на глубине x;I₀– интенсивность на глубинеx= 0;– линейный коэффициент поглощения.