Обнинский государственный технический университет

атомной энергетики

Кафедра ядерной физики

Л.Н. Пустынский

Конспект лекций по ядерной физике

Учебное пособие по курсу «Ядерная и нейтронная физика».

Электронная версия.

Обнинск, 2003

Пустынский Л.Н. Конспект лекций по ядерной физике. Учебное пособие по курсу «Ядерная и нейтронная физика».Электронная версия. –Обнинск, ИАТЭ, 2003. –215с.

Пособие представляет электронную версию конспекта лекций, которые автор читал по курсам «Ядерная физика» и «Ядерная и нейтронная физика» в 1999 – 2003 учебных годах для различных специальностей университета. Пособие написано в полном соответствии с рабочими программами и может быть рекомендовано как основное пособие при подготовке к сдаче экзамена по читаемым курсам. Автор выражает признательность проф. В.С. Ставинскому за ценные и полезные замечания и чтит его память.

Автор заранее выражает признательность всем прочитавшим данное пособие и сделавшим замечания автору.

© Л.Н. Пустынский, 2003

Глава 1.Строение и основные характеристики атомных ядер

В настоящее время твердо установлено и нет сомнений в том, что атом состоит из электронов (Дж. Томсон, 1897), и ядра (Э. Резерфорд, 1911). Атомные ядра обладают целым рядом индивидуальных свойств, которые позволяют отличать ядра отдельных химических элементов друг от друга, и в то же время являются общими характеристиками для всех ядер.

Атомные ядра могут быть стабильными, т.е. живущими неограниченно долго, инестабильными, испытывающие спонтанные (самопроизвольные) радиоактивные превращения.

Все атомные ядра имеют следующие характеристики: число нуклонов в ядре; электрический заряд ядра; масса ядра; энергия связи ядра; размер ядра; спин ядра; магнитный и электрический моменты ядра; четность волновой функции; изотопический спин; статистику.

Нестабильные ядра имеют ряд дополнительных характеристик, таких как тип радиоактивного превращения, среднее время жизни, энергия, выделяемая при распаде.

Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях и как любая квантовая система имеют свою индивидуальную, присущую только ядру данного нуклида, систему энергетических уровней. Состояние ядра с наименьшей энергией называется основным,остальные –возбужденными. Ядра в возбужденных состояниях неустойчивы и, в отличие от основных состояний, могут находиться в возбужденных состояниях ограниченное время, испытывая спонтанные переходы в состояния с меньшей энергией.

Ниже будет показано (см. §1.7), что разделение на стабильные, нестабильные и возбужденные ядра является до некоторой степени условным, так как они могут характеризоваться рядом общих свойств.

§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра.

Все вещества состоят из молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Атом же состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и равен ≈ 10^-8см. Ядро – центральная массивная часть атома имеет размеры ≈ 10^-1310¹²см(1 – 10Фм(ферми)). Следовательно, размер ядра меньше атома в 10⁴ – 10⁵раз.

Ядро состоит из особых частиц (Гейзенберг, Иваненко) -протонов(Резерфорд, 1919) инейтронов (Чедвик, 1932). Протон имеет один положительный элементарный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют особые (ядерные) силы, не зависящие от электрического заряда частиц, которые обеспечивают связь отдельных протонов и нейтронов с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий терминнуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, - так и нейтрон.

Число нуклонов в ядре обозначается буквой А и называетсямассовым числом.

Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z– число электронов в атоме с ядром, имеющимZпротонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Так как химические свойства элементов определяются числом электронов в атоме, тоZесть такжепорядковый илиатомный номерэлемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядреN=A–Z.

Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

Атом с ядром, имеющее конкретные значения A иZ,называютнуклидом, а совокупность нуклидов с одинаковымZ-химическим элементом. ЧислоZполностью определяет химический элемент, а числаZиA- нуклид. Для обозначения нуклида используют две формы записи: (А,Z) или, где Х - символ химического элемента. Например, (12,6) или- соответствующий нуклид углерода. Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z,то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химического элемента опускают и пишут просто . Такие же обозначения используются и для ядер.

Нуклиды, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z,но различаются числом нуклонов А, называютсяизотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. различаются физическими свойствами. Например:изотопы водорода.¹Н - протий (легкий водород);¹Н - дейтерий (тяжелый водород, употребляют также символ D, для ядра -d);³Н - тритий (сверхтяжелый водород, употребляют также символT, для ядраd);²³³U,²³⁵U,²³⁸U- изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому²³⁵U - делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом³Н - радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z,называютизобарами. Например:³Н и³Не -изобары трития и гелия,¹⁰Ве,¹⁰В,¹⁰С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра называют изотонами. Например,²Н и³Не-изотоны водорода и гелия.

Свойства ядер различных нуклидов можно систематизировать с помощьюпротонно-нейтронной диаграммы(диаграммы Сегре) – таблицы, строки которой соответствуют нуклидам с одинаковым числом протонов, а столбцы – нуклидам с одинаковым числом нейтронов. На рис.1.1.1 показан принцип построения протонно-нейтронной диаграммы на примере нуклидов с легкими ядрами. Протонно-нейтронная диаграмма для всех известных нуклидов приведена на рис.1.1.2.

Отметим следующие эмпирические факты и закономерности, которые следуют из протонно-нейтронной диаграммы атомных ядер.

1. Известно более 2000 нуклидов, из них 265 нуклидов являются стабильными нуклидами.

2.Нуклиды с официальными названиями имеютZот 0 (нейтрон) до 109 (мейтнерий). Для существующих в природе ядер Zменяется от 1(водород) до 92(уран).Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z= 0, 43, 61 иZ84.

3.Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до263включительно. Не существует стабильных нуклидов при А = 5, 8 и при А210.

4.Область протонно-нейтронной диаграмы, где располагаются β‑стабильные нуклиды (заштрихованная полоса 1 на рис.1.1.2), называется дорожкой стабильности. Легкие стабильные нуклиды (до Z≤ 20)содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. С ростом массового числа А относительная доля нейтронов возрастает. Например, у легкого нуклида N/Z = 1;у среднего нуклида N/Z = 1,15;у тяжелого нуклида N/Z = 59. Опережающий рост числа нейтронов при больших А вызван действием дальнодействующих кулоновских сил взаимного отталкивания протонов в ядре.

5.Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных и -активных нуклидов. Некоторые элементы имеют (см. рис.1.1.1) всего по одному стабильному нуклиду (⁹Be,¹⁹F, ²³Na),остальные -по 2 ÷ 3стабильных нуклидов. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов.

6. Выше дорожки стабильности располагаются β⁺‑активные нуклиды, ниже – β^-‑активные нуклиды.

7. Свойства ядер существенно зависят от четности чисел ZиN. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют четно-четные ядра (Z– четно,N– четно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с четно-нечетным и нечетно-четным количеством нуклонов в составе ядер. И имеется всего четыре стабильных нуклида (²Н,⁶Li,¹⁰В и¹⁴N), имеющих нечетно-нечетный состав ядер.