ПБ 2-й курс набор 2012 г / заочники физика / ПБФизика / Лекции / Ядерная физика

МЧС России

Санкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы

Утверждаю

Начальник кафедры физики и теплотехники, полковник вн.сл. Иванов А.Н.

(должность, звание, ФИО)

«13» октября 2008 года

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине «Физика»

Специальность 280104.65 - Пожарная безопасность

Заочное отделение, 6 лет

Тема № 9 «Ядерная физика»

Обсуждена на заседании кафедры

Протокол № 2/10 от

«13» октября 2008 года

Санкт- Петербург

2008

I. Цели занятия

1. Образовательная – изучение cтруктуры и свойства ядер, ядерные реакции

2. Воспитательные

- применение рассмотренных явлений в пожарной безопасности

- повышение квалификации сотрудников ГПС в соответствии с требованиями устава пожарной охраны

II. Расчёт учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы: 1.Состав и структура ядра 2.Ядерные реакции ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 170 70 100 5

III. Литература

Основная:

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2003, с.466-472.

Дополнительная:

Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1989, Т.1.

Звонов В.С., Трубилко А.И., Снегирев А.Ю. Оптика. Квантовая и ядерная физика. Учебно-методическое пособие.- СПб.: СПбВПТШ МВД России, 1997.

IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, интерактивная доска.

.

V. Текст лекции

Вводная часть. Ставятся цели занятия.

Учебные вопросы

1 Состав и структура ядра

Состав атомных ядер. Из опытов Резерфорда стало известно, что ядро атома имеет размеры порядка 10^-15 м. В состав ядра входят протоны и нейтроны. Протон и нейтрон – это два возможных состояния одной частицы, получившей название нуклона.

Ядро любого химического элемента будем обозначать следующим образом: _ZX^A, где X – знак элемента, Z – зарядовое число, определяемое количеством протонов в ядре, A – массовое число, определяемое количеством нуклонов в ядре (суммарным числом протонов и нейтронов). Обозначим число нейтронов N, тогда A = Z+N и N = A-Z.

Протон (₁p¹, ₁H¹) – ядро первого элемента таблицы Менделеева (водорода) - имеет заряд q = e (e = 1,6·10^-19 Кл – заряд электрона) и массу m_p=1,67·10^-27 кг.

Нейтрон (₀n¹) – нейтральная частица, имеющая заряд q=0 и массу m_n=1,675·10^-27 кг.

Введем следующие понятия.

• Изотопы – ядра, имеющие одинаковое зарядовое число Z, но разные массовые числа A (разное число нейтронов).

Пример (изотопы углерода): ₆C¹¹, ₆C¹², ₆C¹³, ₆C¹⁴, ₆C¹⁵, ₆C¹⁶.

Процентное содержание данного изотопа в природе называется его распространенностью.

• Изобары – ядра, имеющие одинаковое массовое число A, но разные зарядовые числа Z.

Пример: ₁₈Ar⁴⁰, ₂₀Ca⁴⁰.

• Изотоны – ядра, имеющие одинаковое число нейтронов N.

Пример: ₆C¹³, ₇N¹⁴.

Размеры и масса ядер. Эксперименты по рассеянию быстрых электронов показали, что ядра имеют сферическую форму, радиус которой пропорционален A^1/3: r_я = (1,3-1,7)·10^-15·A^1/3 м. Следовательно, объем ядра пропорционален массовому числу: V_я = ~ A. Так как масса ядра тоже пропорциональна массовому числу (m_я ~ A), все ядра имеют одинаковую плотность

В ядерной физике вводят специальные единицы длины массы и энергии. Единицей длины является ферми (1 фм):

1 фм = 10^-15 м.

Единицей массы является атомная единица массы – массы изотопа углерода ₆C¹²:

1 а.е.м. = 1,6606·10^-27 кг

Поскольку между массой и энергией существует связь, описываемая формулой Эйнштейна

(1)

масса может выражаться в энергетических единицах и наоборот. С учетом (1) 1 а.е.м. = 931,5 МэВ.

Масса электрона, протона и нейтрона, выраженная в разных единицах, приведена в табл. 1.

Таблица 1

Масса элементарных частиц в разных единицах измерения

Частица	Единица измерения
	кг	а.е.м.	МэВ
e p n	9,10910-31 1,67210-27 1,67510-27	0,0005 1,007 1,009	0,51 938,28 939,57

Ядерные силы. Нуклоны в ядре удерживаются особыми силами, называемыми ядерными. Данный вид взаимодействия существенно отличается от других – гравитационных и электромагнитных. Ядерные силы имеют следующие особенности.

• Короткодействие. Радиус действия этих сил – порядка 10^-15 м.

• Зарядовая независимость. Ядерные силы притягивают как заряженные (протон), так и не заряженные (нейтрон) нуклоны.

• Не являются центральными. Потенциал ядерных сил не обладает сферической симметрией.

• Свойство насыщения. Нуклон взаимодействует только с непосредственными соседями по ядру.

• Ядерные силы являются силами притяжения.

Дефект массы. Энергия связи. Установлено, что масса ядра m_я химического элемента _ZX^A меньше массы входящих в его состав протонов Zm_p и нейтронов (A-Z) m_n: m _я < Z m_p + (A-Z) m_n. Разность

(Zm_p + (A-Z) m_n) - m _я (2)

называется дефектом массы. Энергия связи ядра определяется в соответствии с (1)

= (Zm_p + (A-Z) m_n) - m _яс². (3)

Энергия связи равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны (или, что то же самое, энергии, выделяющейся при образовании ядра из нуклонов). На рис. 1. показана зависимость энергии связи , приходящейся на один нуклон, от массового числа A для ядер химических элементов из таблицы Менделеева.

Рис. 1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым ядрам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания, в связи с чем связь между нуклонами становится менее прочной. Значение максимума на графике приходится на 56 элемент таблицы Менделеева – железо. Максимум энергии связи на графике отвечает минимуму внутренней потенциальной энергии (отметим, что к минимуму своей внутренней энергии стремится любая физическая система).

2. Ядерные реакции

Физический процесс, сопровождающийся изменением числа нуклонов в ядре, является ядерной реакцией. Ядерная реакция может протекать самопроизвольно только при условии, что энергия связи продуктов больше энергии связи исходных ядер. При этом разность энергий связи преобразуется в кинетическую энергию образовавшихся ядер (и элементарных частиц) и, в конечном счете, в тепло. В противном случае ядерная реакция самопроизвольно протекать не может. Из приведенной зависимости (рис. 1) следует, что энергетически выгодными являются два вида ядерных реакций:

• деление тяжелых элементов с массовыми числами порядка 200;

• синтез более тяжелых элементов из легких, например He из H;

В последнем случае должно выделяться больше энергии, чем при делении тяжелых ядер (рис. 1). Однако для инициирования реакции синтеза следует сблизить протоны до радиуса действия ядерных сил (порядка 10^-15 м). Из-за кулоновского отталкивания протонов, сближение становится возможным только для очень быстрых частиц. Это значит, что требуется чрезвычайно высокая температура (порядка 10⁷ К). Поэтому такие реакции носят название термоядерного синтеза.

Радиоактивность. Известно около 250 стабильных видов ядер, для которых самопроизвольный распад невозможен, и около 1500 нестабильных, которые, распадаясь, превращаются в стабильные.

Явление самопроизвольного распада нестабильных ядер носит название радиоактивности. Этот процесс не зависит ни от каких физических и химических воздействий на ядро. Существует три вида радиоактивных распадов:

• -распад имеет место, когда материнское ядро распадается на дочернее ядро и ядро атома гелия ₂He5⁴, называемое -частицей:

_zX^A  _Z-2Y^A-4 + ₂He⁴.

• -распад имеет место, когда материнское ядро превращается в дочернее с выделением электрона (-частицы) или положительно заряженного позитрона и нейтрино или антинейтрино:

_zX^A  _Z-2Y^A + _-1е⁰ +,

_zX^A  _Z-2Y^A + ₊₁е⁰ +.

• -распад имеет место, когда материнское ядро из возбужденного состояния _zX^*A переходит в основное состояние _zX^A , а высвободившаяся энергия выделяется в виде квантов (электромагнитного излучения высокой частоты):

_zX^*A  _zX^A +.

Скорость радиоактивного распада. Макроскопический образец радиоактивного изотопа содержит большое число радиоактивных ядер. Процесс распада является случайным; невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако этот процесс можно описать вероятностным законом, называющимся законом радиоактивного распада. Число распадов dN, происходящих за малый промежуток времени dt, пропорционально длительности промежутка и полному числу радиоактивных ядер:

где – постоянная распада, которая определяет скорость распада и измеряется в с^-1. Интегрируя, получим

, (4)

где N₀- число ядер в момент времени t = 0. Зависимость (4) представляет собой закон радиоактивного распада, в соответствии с которым число нераспавшихся ядер непрерывно убывает со временем (рис. 2).

Рис. 2. Закон радиоактивного распада

Промежуток времени Т, за который распадается ровно половина ядер, существовавших в начальный момент, называется периодом полураспада. Период полураспада связан с постоянной распада соотношением

Величину называют временем жизни нестабильного элемента.

Активность. Активностью А называется число распадов за единицу времени. В соответствии с (4.4)

(5)

В качестве единиц измерения активности служат Беккерель (1 Бк =1 распад/с) и Кюри (1 Кю = 3,7·10¹⁰ Бк). Активность является характеристикой радиоактивного вещества как источника радиоактивного излучения.

Дозиметрия. Поток частиц , возникающий при ядерных реакциях, называется ядерным излучением. Ядерное излучение оказывает сильное воздействие на биологическую ткань. Для количественного учета такого воздействия используется понятие дозы. Вводятся следующие виды доз.

• Поглощенная доза – количество энергии ядерного излучения, поглощенное единицей массы вещества. Единицей измерения поглощенной дозы являются Грей (1 Гр = 1 ) и рад (1 рад = 10^-2 Гр). Поглощенная доза не учитывает качественный состав падающего излучения.

• Эквивалентная доза – поглощенная доза, умноженная на “коэффициент опасности”, учитывающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма. Этот коэффициент зависит от вида излучения. Его значения приведены в табл. 2.

Таблица 2

“Коэффициент опасности” для разных видов излучения

Вид излучения	Значение коэффициента
-частицы -частицы, протоны Тепловые нейтроны Быстрые нейтроны (<40 МэВ)	1 10 3-5 10

Единицы измерения эквивалентной дозы – 1Зиверт (1 Зв = 1 ) и 1 бэр (биологический эквивалент рада, 1 бэр = 10^-2 Зв). 1 бэр есть поглощенное тканью количество энергии, биологически эквивалентное 1 рад рентгеновского излучения.

• Экспозиционная доза характеризует ионизирующее действие радиоактивного излучения. Экспозиционная доза измеряется в Рентгенах. Один Рентген соответствует такой дозе, при которой в 1 кг сухого воздуха образуется 2,58·10^-4 Кл зарядов одного знака (1 Р = 2,58·10^-4 ).

Весьма важным является то, за какое время организм может получить ту или иную дозу. Поэтому вводится понятие мощности дозы, т.е. дозы, поглощаемой в единицу времени при данной интенсивности ядерного излучения. Различают мощность поглощенной дозы (единица измерения – ) мощность эквивалентной дозы (единица измерения – 1 ) и мощность экспозиционной дозы (). Часто используется несистемная единица микрорентген в час (1 = 3,6·10^-3 ). Естественный природный радиоактивный фон характеризуется мощностью дозы 10 – 20 .

Действие радиоактивного излучения на организм характеризует табл. 3.

Таблица 3

Действие радиоактивного излучения

Доза, мощность дозы	Производимый эффект
0,1 400-500 бэр	Радиоактивность окружающей среды, тела человека, космические лучи (естественный фон) Лучевая болезнь со смертельным исходом

Защита от радиоактивного излучения. Защита от радиоактивного излучения основана на двух основных методах.

• Защита расстоянием. Мощность поглощенной дозы уменьшается пропорционально квадрату расстояния до точечного источника.

• Защита временем. Пребывание в зоне радиоактивного заражения нормируется таким образом, чтобы эквивалентная доза излучения за время пребывания не превышала санитарных норм.

• Защита поглощением. На пути радиоактивного излучения помещается преграда определенной толщины d. В соответствии с законом Бугера

(6)

где I₀ – интенсивность излучения, падающего на среду, I – интенсивность прошедшего излучения, – коэффициент поглощения данного вида излучения веществом. В табл. 4. приведены значения коэффициентов поглощения для некоторых материалов.

Таблица 4

Коэффициент поглощения -излучения в различных средах

Энергия, МэВ	Коэффициент поглощения, м-1
	Воздух	Вода	Алюминий	Свинец
0,1 0,5 1,0	0,0198 0,0111 0,0081	17,2 9,6 7,0	15,4	599 167 75

Регистрация радиоактивных излучений. Все способы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Для регистрации применяются следующие приборы.

1. Сцинтилляционный счетчик. Наблюдаются сцинтилляции (вспышки) света при попадании быстрых частиц на флуоресцирующий экран.

2. Камера Вильсона. Представляет собой стеклянный цилиндр со стеклянной крышкой, в которой может перемещаться поршень. Объем цилиндра под поршнем заполнен насыщенными парами воды или спирта. При адиабатическом расширении пары резко охлаждаются, т.е. создаются условия для существования центров конденсации. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов, образующихся на центрах конденсации. Траектория принимает вид туманного следа. Помещение камеры Вильсона в магнитное поле позволяет сделать заключение о заряде радиоактивной частицы, пролетающей через камеру.

3. Диффузионная камера. Разновидность камеры Вильсона, в которой могут создаваться давления до 4 МПа, что увеличивает эффективный рабочий объем.

4. Пузырьковая камера. Используется для исследования длинных цепей рождения и распада частиц высоких энергий.

5. Счетчик Гейгера-Мюллера. Газоразрядный счетчик представляет собой металлический цилиндр, по оси которого натянута тонкая проволока, изолированная от цилиндра. Цилиндр заполняется специальной смесью газов (например аргон и пары спирта) до давления 10-15 мм рт.ст. На нить подается положительный потенциал порядка 1000 В относительно цилиндра. Прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает кратковременную вспышку газового разряда. При этом по внешней цепи, в которую включен счетчик (рис. 3), проходит кратковременный импульс тока. Этот импульс может быть обнаружен чувствительным электрометром или усилен электронным усилителем.

Рис. 3. Электрическая схема счетчика Гейгера-Мюллера

6. Полупроводниковый счетчик. Это детектор частиц, основным элементом которого служит полупроводниковый диод. Обладает высокой надежностью.

7. Толстослойные фотоэмульсии. Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы частицы обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра.

Заключительная часть. Ответы на вопросы. Подведение итогов

Разработал_______________________________профессор Звонов В.С.___

(подпись, должность, фамилия, звание)

«____»______________200_года