Лекции по физике 2 семестр / 30 ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Основные понятия ядерной физики.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые окружают его. Размеры атома м , размеры ядра м . Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, по величине равный заряду электрона. Нейтрон – нейтральная частица. В ядре они удерживаются за счет сильного (ядерного) взаимодействия. Сила ядерного взаимодействия одинакова как для протонов, так для нейтронов. Поэтому эти частицы называются нуклонами. Общее число нуклонов называется массовым числом . Число протонов отвечает за заряд ядра. Оно называется зарядовым числом и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Ядра, у которых число протонов одинаково, а число нейтронов различное называются изотопами. Ядра, у которых массовое число одинаковое, а число протонов различное, называются изобарами. Экспериментально было обнаружено, что масса ядра меньше, чем суммарная масса его составляющих. Эта разница называется дефектом массы. Поскольку масса и энергия связаны (формула Эйнштейна), разница в массе должна равняться энергии, которая выделяется при образовании ядра. Это очень большая энергия. Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра. Энергия связи нуклонов в ядре:

(1)

Величина

(2)

есть дефект массы; - массы протона, нейтрона и ядра, соответственно. Устойчивость ядра лучше определять по удельной энергии – энергии связи, приходящейся на один нуклон. Удельная энергия зависит от массового числа. По мере роста массового числа удельная энергия растет, достигает максимума, затем уменьшается. Уменьшение удельной энергии с ростом обусловлено эффектом насыщения ядерных сил и кулоновским отталкиванием протонов. Эффект насыщения определяется тем, что каждый нуклон может связаться только с ограниченным числом нуклонов, его ближайшими соседями.

Радиоактивность

Радиоактивный распад – самопроизвольный распад ядра. В результате исходное ядро (материнское) превращается в другое (дочернее) ядро. Поскольку распад происходит самопроизвольно, он подчиняется статистическим законам. Закон радиоактивного распада

(1)

где - постоянная радиоактивного распада; - начальное число ядер (в момент времени ); - число нераспавшихся ядер в момент времени . Интенсивность процесса распада характеризуют период полураспада и среднее время жизни радиоактивного ядра. Период полураспада – время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшится вдвое. Величина периода полураспада

(2)

Среднее время жизни и постоянная полураспада связаны соотношением:

(3)

Активностью нуклида (общее название атомных ядер) называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:

. (4)

Выделяют несколько видов радиоактивного распада.

- распад

- распад характеризуется испусканием - частицы. - частица – это ядро атома гелия. Исходя из этого, можно вывести закономерности этого распада. Правило смещения радиоактивного - распада:

(5)

Скорости вылетающих - частиц колеблются в пределах от до м/с. Для

- распада характерна сильная зависимость между периодом полураспада и энергией вылетающих частиц:

, (6)

где - постоянная радиоактивного распада; - пробег - частиц в воздухе; А и В эмпирические константы. Это закон Гейгера – Нэттора. Согласно этому закону, чем меньше период полураспада радиоактивного ядра, тем больше пробег частицы, следовательно, и её энергия.

- распад

- распад радиоактивного ядра связан с испусканием - частицы. Было установлено, что - частица – это электрон. Поэтому правило смещения для - распада

(7)

В результате - распада испускается ещё одна частица, которая получила название нейтрино. Это нейтральная частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Интересна история открытия этой частицы. Вначале была гипотеза Паули о существовании нейтральной частицы при - распаде. Он выдвинул (1931 г) эту гипотезу, основываясь на законе сохранения энергия. Экспериментально нейтрино было открыто в 1956 г. Эта частица участвует только в слабых взаимодействиях. В результате - распада число нуклонов в ядре не изменяется, увеличивается на единицу. Это возможно только тогда, когда один из нейтронов радиоактивного ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино.

(8)

где - антинейтрино. В этом процессе выполняются законы сохранения зарядовых чисел, импульса и массовых чисел.

- излучение

Излучение - квантов не является самостоятельным видом радиоактивности. - излучение возникает при и распадах, а также в ядерных реакциях, при торможение заряженных частиц, при распаде частиц и т.д. При и распаде радиоактивных ядер возникают дочерние ядра, которые испускают - кванты. В этом случае спектр - излучения является линейчатым. - излучение обладает большой проникающей способностью, что позволяет использовать это излучение в дефектоскопии.

Ядерные реакции

Ядерные реакции – превращение атомных ядер в результате взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами. Символическое изображение ядерной реакции

(9)

где и исходное и конечное ядра, и - бомбардирующая и испускаемые в ядерной реакции частицы. Эффективность взаимодействия в ядерных реакциях характеризуется эффективным сечением . Эффективное сечение ядерной реакции:

, (10)

где - число частиц, падающих в единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества; - число ядер в единице объема; - число этих частиц, вступивших в ядерную реакцию в слое толщиной . Единица эффективного сечения – барн (1 барн = 10^-28 м²). Если радиоактивный распад всегда протекает с выделением энергии, то ядерные реакции протекают как с выделением энергии (экзотермические реакции), так и с поглощением энергии (эндотермические реакции). Среди ядерных реакций выделим следующие реакции: реакции деления тяжелых ядер, реакции синтеза легких ядер. Реакции распада используются в производстве электроэнергии, в атомных бомбах. Реакции синтеза используются в водородных бомбах. Управляемый термоядерный синтез пока не осуществлен.