Існування ізотонів установив у 1910 р. англійський фізик Ф. Содді. Усі ХІМІЧНІ елементи (крім технецію 4 3 Тс і прометію ^{Рш) мають ізотопи. Наприклад, водень має три нукліди: легкий з ядрохМ | Н (протій), важкий з
ядром }2Н (дейтерій) і штучний з ядром 3Н |
(тритій). Уран (2 = 92) має |
12 ізотопів з масовими числами від А = 228 |
до А = 239 . Усі хімічні еле- |
менти - це природні суміші ізотопів. Тому кожний хімічний елемент має відносну атомну масу, яка є середнім значенням атомних мас усіх його ізотопів.
Фізичні властивості ізотопів трохи відмінні від стабільних елементів. Наприклад, температура кипіння протію 20,39 К, а дейтерію 23,57 К .
Ядра, які мають те саме А при різних 2, називають ізобарами. Прикла-
дом ізобарної пари можуть бути |
і ^ Аг, ізобарної тріади - |
5202 |
Ті; |
23 V; 24Сг. Ядро має спін, який дорівнює векторній сумі спінів нуклонів, що утворюють його. За усталеною термінологією, під спіном частинки або ядра розуміють спінове квантове число. Спінові квантові числа протонів і нейтронів дорівнюють 1/2. Для обчислення спіну ядра має значення парність або непарність чисел 2 і N. Спін ядра, яке складається з парної кількості нуклонів, є цілим числом або нулем. Спін ядра, яке складається з непарної кількості нуклонів, - півцілий.
Внаслідок того, що нуклони, які входять до складу ядра, мають хвильові властивості, атомне ядро не має різко виражених меж»
Під радіусом атомних ядер розуміють лінійні розміри області, в якій проявляється дія ядерних сил. Експериментальні дані з розсіювання ос -час- тинок речовиною дали можливість установити емпіричну формулу для обчислення радіуса ядра: К = К$АХІ2>, де »(1,2-П,7)10~15 м.
Об'єм ядра пропорційний кількості нуклонів А, які входять до нього; це означає, що нуклони в усіх ядрах упаковані приблизно з однаковою густиною. Густина ядерної речовини велика, і її значення приблизно відповідає р = 2 1011 кг/м3 , тобто близько 200 млн т в 1 см3.
§ 246. Дефект маси, енергія зв'язку і стійкість атомних ядер
Більшість ядер - це стійкі утворення, хоч між протонами, що входять до складу ядра, діють сили кулонівського відштовхування.
Стійкість атомних ядер означає, що між нуклонами в ядрах існує певна взаємодія. Про міцність того або іншого утворення роблять висновки з
того, наскільки легко або важко зруйнувати його: чим важче його зруйнувати, тим воно міцніше. Зруйнувати ядро - це значить розірвати зв'язки між його нуклонами, або, інакше кажучи, виконати роботу проти сил зв'язку між ними. Такий підхід, що ґрунтується на законі збереження енергії, дає можливість зробити ряд важливих висновків про специфіку тих зв'язків, які утримують нуклони в ядрі.
Введемо поняття енергії зв'язку окремого нуклона в ядрі, тобто питомої енергії зв язку АЕпт. Це фізична величина, що дорівнює роботі, яку
треба виконати, щоб видалити нуклон з ядра. Повна енергія зв'язку ядра визначається роботою, яку треба виконати, щоб розщепити ядро на нукпони, які його утворюють. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра виділяється енергія, необхідна для розщеплення ядра на муклони, з яких воно складається. Повну енергію зв'язку ядра характеризує величина Ат, яку називають дефектом маси. Під дефектом маси розуміють різницю між сумою мас протонів і нейтронів, які перебувають у вільному стані, і масою утвореного з них ядра. Якщо ядро з масою Мя,
утворене із 2 протонів з масою тр кожний, із (А-2) нейтронів з масою тп кожний, то
Ат=2тр+(А-2)тп -Мя. |
(25.4) |
Наявність дефекту маси показує, що для повного розщеплення ядра на нуклони (протони і нейтрони), які його утворюють, необхідно затратити енергію
АЕзв=Атс2. (25.5)
Величину АЕЗВ називають енергією зв'язку (повною енергією зв'язку).
Ііона є безпосередньою мірою стійкості ядра.
Вядерній фізиці для обчислення енергій застосовують атомну одиницю енергії (а. о. е.) - величину, яка відповідає енергії однієї атомної одиниці маси:
1а.о.е. = 1с2 • 1 а.о.м. = 9-1016 м2 /с2 -1,67ЛОТ21 кг = = 1,5-10~10 Дж -931,1 МеВ.
Як було вже показано, питома енергія зв'язку - це енергія, що припадає на один нуклон:
А Е |
АЕ |
(25-6) |
п т |
|
= —А^ . |
Питома енергія зв'язку дуже велика. Вона становить у середньому близько 8 МеВ на один нуклон.
З |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 25.7 подано криву залеж- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§8 |
|
„і |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ності питомої енергії зв'язку від ма- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
і 7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сового числа А. З рисунка видно, що |
ї |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
різні ядра мають різні значення АЕпит. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Найміцніше пов'язані нуклони в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ядрах середньої частини періодич- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ної системи Менделєєва. У цих яд- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рах питома енергія зв'язку близька |
См 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 40 60 80 100ВОН0160 180200220240 |
до 8,7 МеВ. Із зростанням кількості |
|
|
|
|
|
Масове число А |
нуклонів у ядрі питома енергія зв'яз- |
|
|
|
|
|
|
Рис. 25.7 |
|
|
|
|
|
|
ку зменшується. Для ядер, розміще- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
них у кінці періодичної системи (наприклад, для урану), АЕПКТ приблизно
становить 7,6 МеВ.
Це свідчить про те, що
для добування ядерної енергії принципово можливі два методи. Один ґрунтується на поділі важких ядер, другий - на синтезі легких.
§ 247. Ядерні сили
До складу ядра входять протони, які зазнають взаємного нуклонівського відштовхування, і нейтрони. Стійкість ядер, які не розлітаються під дією кулонівських сил відштовхування, свідчить про те, що в ядрах діють специфічні сили притягання, які називають ядерними силами. Ядерні сили не можуть бути звичайними силами кулонівської взаємодії. Кулонівська взаємодія між протоном і протоном зводиться до відштовхування, а між нейтроном і протоном та нейтроном і нейтроном її немає. Електричні сили залежать від заряду і малі порівняно з ядерними. Гравітаційні сили також не можуть удержувати частинки в ядрі, бо вони дуже
малі. Наприклад, гравітаційна взаємодія двох протонів у 1036 разів менша від їх кулонівської взаємодії. Як ядерні сили не можуть бути і сили магнітної взаємодії. Розрахунки показують, що енергія магнітної взаємодії, наприклад протона і нейтрона в ядрі атома дейтерію \ Н, становить близько 0,1 МеВ, що значно менше від енергії зв'язку нуклонів у ядрі (2,2 МеВ).
Усе це свідчить про те, що ядерні сили не можна звести ні до електричних, ні до магнітних, ні до гравітаційних, вони є специфічним видом сил.
Взаємодія між нуклонами в ядрі є прикладом сильних взаємодій - взаємодій через ядерні сили.
Ядерні сили мають ряд характерних властивостей: 1) вони є силами притягання;
2) це короткодійні сили, їх дія проявляється на відстані порядку 1(Г15 м. Відстань, на якій діють ядерні сили, називають радіусом дії ядерних сил\
3)ядерні сили мають властивість зарядової незалежності: ядерні сили, які діють між протоном і нейтроном, між двома протонами або між двома нейтронами, однакові;
4)ядерні сили не є центральними, як, наприклад, сили гравітаційні і кулонівські;
5)ядерні сили мають властивість насичення.
Кожний нуклон взаємодіє не з усіма нуклонами ядра, а тільки з обмеженою кількістю найближчих до нього нуклонів. Наслідком цієї властивості є майже лінійна залежність енергії зв'язку в ядрі від масового числа А. Якби насичення не було, то кожний нуклон у ядрі взаємодіяв би з рештою (^4-1) нуклонів і енергія зв'язку була б пропорційна кількості пар
нуклонів у ядрі, тобто А2. Крім того, питома енергія зв'язку нуклонів у ядрі, якщо кількість нуклонів збільшується, приблизно стала (рис. 25.7). Прикладом повного насичення ядерних сил може бути ядро атома гелію, тобто а -частинка, яка є стійким утворенням з двох протонів і двох нейтронів.
Ядерні сили докладно ще не вивчено. Закінченої теорії ядерних сил немає, але припускають, що "чистих" протонів і нейтронів у ядрі немає, є ядерна речовина, яка може бути в двох станах - мати позитивний заряд або не мати заряду. За гіпотезою, яку висловив у 1935 р. японський фізик X. Юкава, в ядрах протони і нейтрони з величезною швидкістю ніби обмінюються частинками, що мають масу в 200-300 разів більшу, ніж електрон. Пізніше ці частинки назвали я -мезонами. За сучасними уявленнями, нуклон має таку будову: у центрі нуклона розміщене ядро-керн, радіус якого « 0,3 • 10~15 м. Керн оточений "хмарою", яка складається з мезонів.
Носіями ядерних сил є я -мезони: позитивний я негативний я~ і нейтральний я0 .
§ 248. Альфа-розпад. Правило зміщення
Нуклони в атомних ядрах перебувають у стані руху і взаємних перетворень, це впливає на розподіл енергії між частинками атомного ядра в часі. Найстійкішими з усіх утворень всередині ядра є утворення з двох протонів і двох нейтронів. ГІри ймовірнісному розподілі енергії між частинками ядра можливо, що саме це утворення матиме значну частину енергії ядра і за певних умов може покинути ядро у вигляді а -частинки. Перетворення атомних ядер, яке супроводиться випускан-
ням а -частинок, називають а -розпадом. Якщо |
- материнське ядро, |
то при |
а -розпаді воно перетворюється за схемою |
|
|
ІХ |
+ |
(25.7) |
де |
- символ дочірнього ядра; 2а |
- ядро атома |
гелію 2Не (а-час- |
тинка); к\ - квант, що випускається ядром І~12У, яке перебуває в збуд-
женому стані.
Як видно з (25.7), а -розпад зменшує масове число ядра на 4, а заряд ядра - на 2 еле-
ментарні позитивні заряди,
тобто хімічний елемент переміщується на дві клітинки вліво в періодичній системі елементів Менделєєва.
Це положення називають правилом зміщення. Воно випливає із закону збереження електричного заряду і масового числа:
сума зарядів (а також масових чисел) продуктів розпаду дорівнює заряду (масовому числу) вихідного ядра.
Проілюструємо цей закон на прикладі а -розпаду радію:
2286 К а ^ 2 2 2 Кп + 4Не.
Швидкості, з якими ос -частинки вилітають з ядра, становлять приблизно 107 м/с, що відповідають енергії порядку кількох мегаелектрон-вольт. Рухаючись у речовині, а -частинки іонізують атоми або молекули речовини, втрачаючи при цьому енергію і утворюючи на своєму шляху близько 105 пар іонів. Витративши свою енергію на іонізацію, ос -частинка приєднує два електрони і стає нейтральним атомом гелію. Під пробігом ос -частинки розуміють ту відстань у речовині, на якій вона іонізує. Експериментальні дані свідчать про те, що швидкості, а отже, й енергії а -час- тинок, які виникають внаслідок ос -розпаду ядра, мають певні для даного ядра значення.
§249. Бета-розпад. Нейтрино
Вядрах здійснюється й інший вид перетворень, пов'язаний з
перетворенням нуклонів. Як показали дослідження, радіоактивні ядра можуть викидати потік електронів. Цей вид розпаду назвали р -розпадом. Вивчення р -розпаду показало, що (3 -частинки (електрони), які вилітають з ядер
певного елемента, виносять різну енергію |
|
аж до значення |
Етах, але енергія частинок, |
|
які вилітають, завжди менша від різниці |
|
енергій ядер до і після Р -розпаду. |
|
Неперервність енергетичного спектра |
|
електронів при |
р-розпаді зображено на |
^тхЕ |
рис. 25.8. Як видно з рисунка, неперервна |
Рис* 25,8 |
крива розподілу за енергіями числа N електронів, які покинули ядро, обривається на межі
За правилом зміщення масове число ядра ири розпаді не змінюється:
Як видно з (25.8), при Р -розпаді хімічний елемент переміщується на одну клітинку вправо в періодичній системі Менделєєва. Якщо масове число не змінюється, то не повинен змінюватись і сумарний спін усіх нуклонів у ядрі, але електрон, що має спін ±1/2, змінює спін ядра. Проте при р-розпаді
спін ядра не змінюється. Аналізуючи дослідні дані, В. Паулі припустив, що
разом з електроном з ядра мас вилітати ще одна частинка V, яка дістала назву нейтрино.
Вона не має заряду і маси спокою, але повинна мати спін, що дорівнює спіну електрона ±1/2. Якщо електрон і нейтрино вилітають з ядра одночасно, то їх спіни орієнтовані у взаємно протилежних напрямах, тому сумарний спін ядра не змінюється.
Гіпотеза про виникнення нейтрино пояснює і неперервність енергетичного спектра електронів при Р-розпаді. Розподіл енергії між електроном і нейтрино має статистичний характер. Отже, Ер + ЕУ = Етах.
Таким чином, неперервний енергетичний спектр має бути обмежений з боку великих значень енергії (рис. 25.8).
Протон-нейтронна будова ядра виключає можливість вилітання з ядра електронів, оскільки їх в ядрі немає. Тому теоретичне тлумачення р-роз- паду тривалий час було важким завданням ядерної фізики. Вихід із становища, що склалося, запропонував Е. Фермі.
За гіпотезою Е. Фермі, який розробив теорію р-розпаду,
в ядрі можливі взаємні перетворення нуклонів, внаслідок яких виникають електрони і антинейтрино* V -частинка, яка не має маси спокою і електричного заряду.
Після відкрита позитрона і здійснення штучних перетворень атомних ядер, які супроводяться інмптронним р+-розпадом, було встановлено, що нейтральною частинкою, яка бере участь у цьому І» мііаді, є нейтрино, а в електронному розпаді бере участь й античастинка - антинейтрино.
Такий процес зумовлений особливим типом взаємодії - слабкою взаємодією:
1 0 п - > \ р + ^ е * V. |
(25.9) |
Ці перетворення супроводяться виділенням енергії, оскільки маса нейтрона більша від маси протона» Часто Р -розпад супроводиться випусканням у -випромінювання, яке виникає при переході дочірнього ядра, що утворюється при у -розпаді, із збудженого в нормальний стан.
При проходженні (3-частинок через речовину вони втрачають свою енергію на іонізацію і гальмівне випромінювання.
§ 250. Гамма-випромінювання, Позитрон
Гамма-випромінювання відкрив П. Віллар у 1900 р< Опромінюючи а - і р -частинками свинець, Віллар виявив залишкове випромінювання, яке проявляло слабку іонізуючу дію і не відхилялось у магнітному полі; його назвали у -випромінюванням. Проникна здатність цього
випромінювання була вища, ніж у найбільш жорсткого рентгенівського випромінювання.
Гамма-випромінювання, як і рентгенівське, - це електромагнітне випромінювання, вони відрізняються одне від одного тільки своїм походженням і енергією» Якщо рентгенівське випромінювання випускається при збудженні або віддаленні орбітальних електронів або гальмуванні швидких електронів, то у -випромінювання виникає при ядерних перетвореннях»
У процесі у -випромінювання виділяється енергія збудження ядра.
Ядро може перейти в збуджений стан внаслідок радіоактивного розпаду або штучно спричинених ядерних перетворень. Гамма-випромінювання, яке виникає ери певній ядернім реакції, утворене квантами однієї енергії або групою квантів з дискретними значеннями енергії. Найчастіше у -ви- промінювання ядер має енергію в діапазоні від кількох кілоелектронвольт до кількох мегаелектрон-вольт.
Якщо у -випромінювання проходить через речовину, то інтенсивність початкового пучка послаблюється. Це послаблення інтенсивності є результатом взаємодії у -квантів з електронами і атомами речовини, через яку вони проходять, Практично найістотніші три процеси взаємодії у -ви- промінювання з речовиною: фотоефект, комптонівське розсіяння і утворення пар.
Фотоефект
Фотоефектом називають такий процес взаємодії у -кванта з речовиною, при якому у -квант зникає, повністю передаючи свою енергію та імпульс електрону й атому. При цьому електрон викидається за межі атома. Фотоефект найбільш можливий тоді, коли енергія у -кванта близька до значення роботи виходу електрона з речовини. Послаблення випромінювання внаслідок фотоефекту має основне значення при малих енергіях (Еу < 1 МеВ).
Фотоефект можливий лише на зв'язаному і не може відбуватися па вільному електроні.
Комптонівське розсіяння
Крім фотоефекту, при якому у -квант перестає існувати, взаємодія у -випромінювання з середовищем може спричинити їх розсіяння, тобто їх відхилення від початкового напряму (рис. 25.9). Якщо у -кванти
мають значну (понад 1 МеВ) енергію |
|
|
пч)'<Ьч |
, |
|
|
/IV, то, потрапляючи в речовину, ВОНИ |
|
|
|
можуть розсіюватись на вільних або слаб- |
|
|
|
розв'язаних електронах речовини, від- |
Еу-\т* |
•-{е |
чч |
даючи частину своєї енергії цим елект- |
|
|
" " |
ронам і змінюючи напрям свого поши- |
|
\ |
^ |
рення, при цьому ЗМІНЮЄТЬСЯ довжина |
|
Рис. 25.9 |
Ре |
хвилі розсіяного у-кванта (//V'). Зміна |
|
довжини хвилі внаслідок розсіяння залежить лише від кута розсіяння 6 і не залежить від довжини хвилі падаючого кванта і від роду розсіюючої речовини. Електрон, на якому розсіюється у -квант, дістає енергію, що
дорівнює різниці енергій падаючого і розсіяного квантів (//V - ЙУ').
Утворення пар
При вищих значеннях енергії у -випромінювання спостерігаються утворення пар. За сучасною теорією, падаючий у-квант повністю поглинається в області кулонівського поля ядра, внаслідок чого виникає
пара частинок: електрон |
і позитрон |
Можливість існування по- |
зитрона передбачив П. Дірак за два роки до його відкриття. Він довів можливість утворення пари електрон-позитрон з фотона. Експериментально позитрон виявив К. Андерсон у 1932 р. в процесі вивчення складу космічного проміння за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле. Під час досліджень було встановлено, що в тому самому місці камери з'являються дві (пара) частинки, які відхиляються в різні боки в магнітному полі.
З цього випливало, що їх заряди різнойменні. Характер треків і кривизна шляхів доказували, що маси обох частинок однакові. Тепер з великою точністю встановлено, що позитрон за своїми властивостями подібний до електрона, але відрізняється знаком заряду.
Процес утворення пари пов'язаний із затратою енергії 0,51 МеВ (енергія спокою) на кожну частинку. Отже, мінімальна енергія у -кванта, потрібна
для створення електрон-позитронної пари, Е0 =2т0с2 =1,02 МеВ. Уся надлишкова енергія, яку має у -квант понад 1,02 МеВ, переходить у кінетичну енергію утворених частинок.
§ 251. Космічне випромінювання
У 1909-1910 рр. В. Гесс і В. Кольчерстер, досліджуючи ступінь іонізації повітря на різних висотах, встановили:
повітря біля поверхні Землі іонізується частково її радіоактивним випромінюванням, а частково - дією якихось дуже проникних променів.
Якби повітря іонізувалось лише дією радіоактивного випромінювання, то з віддаленням від поверхні Землі його інтенсивність і, як наслідок, іонізація повітря мали б зменшуватись. Але результати дослідів показали, що
на висоті близько 5000 м іонізація повітря була в три рази більша, ніж біля поверхні Землі.
З'ясувалося, що це зумовлено космічним випромінюванням, яке приходить із світового простору. Космічне випромінювання ділиться на первинне і вторинне.
Первинне, яке падає на Землю із світового простору, - це потік частинок, що рухаються із швидкостями, близькими до швидкості світла. Космічне випромінювання за своєю проникною здатністю переважає всі інші види випромінювань. Середня енергія первинних космічних частинок
близько Ю10 еВ, а енергія окремих частинок досягає 1019 еВ і більше. Безпосередні вимірювання за допомогою іонізаційних камер, лічиль-
ників і ядерних емульсій, піднятих на повітряних кулях і ракетах, дали можливість встановити, що понад 90 % первинних частинок - це протони, решта - а -частинки та інші, ядра важчих елементів. До складу космічного випромінювання входять нейтринне і у -випромінювання.
Відносна частка основних компонентів первинного космічного проміння
|
Група ядер |
Зарядове число |
Масове число А |
% у загальному |
|
(усереднене) |
потоці |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Протони |
|
1 |
1 |
92,9 |
|
Ядра: |
|
|
|
|
|
гелію (а -частинки) |
|
2 |
4 |
6,3 |
|
легкі |
3-5 |
10 |
0,13 |
|
середні |
6-9 |
14 |
0,4 |
|
важкі |
> |
10 |
31 |
0,18 |
|
надважкі |
> |
20 |
51 |
0,05 |
|
|
|
|
|
|
Первинне космічне випромінювання має в основному галактичне походження, а окремі частинки з енергією понад 1017 еВ/нуклон, можливо, зароджуються поза нашою Галактикою.
Інтенсивність космічного випромінювання не стала в часі - це пов'язано із зміною активності Сонця. Під час сонячних спалахів відхилення інтенсивності космічного проміння від середнього значення може досягати десятків і навіть сотень процентів; отже, деяка частина космічного проміння генерується Сонцем.
Первинні частинки космічного проміння стикаються з ядрами атомів у верхніх шарах атмосфери, утворюючи вторинне випромінювання: на висотах нижче від 20 км космічне проміння практично повністю має вторинний характер. Оскільки ядра первинного космічного проміння мають дуже велику енергію, вони породжують групи частинок, які розмножуються лавиноподібно, - каскадні ядерні зливи. Ці зливи генетично зв'язані між собою і зумовлені багаторазовими електромагнітними і ядерними взаємодіями в атмосфері.
Зливи вперше виявив у 1928 р. академік Д. В. Скобельцин, який сфотографував сліди космічних частинок у камері Вільсона. Подальшими дослідженнями було встановлено, іцо біля поверхні Землі космічне проміння складається з двох компонентів - м'якого і жорсткого. М'який компонент - це потік у -квантів, електронів і позитронів. У 1938 р. К. Андерсон і С. Ніддермейєр показали, що жорсткий компонент - це потік приблизно однакової кількості позитивно і негативно заряджених частинок з масою, яка дорівнює приблизно 207 те , і часом житія 2,2 • 10 ° с. І (,і частинки назвали мюонами р" |. У 1947 р. С. Пауелл встановив,
що при взаємодії первинного космічного випромінювання з атомними ядрами виникають невідомі раніше заряджені частинки з масою 273 те.
Ці частинки назвали к-мезонами або піонами. їх час життя
у вільному стані 2,55 -10~8 с. У 1950 р. було відкрито нейтральний
