Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 42.Строение атомного ядра. Ядерные силы; их основные свойства

42.Строение атомного ядра. Ядерные силы; их основные свойства. Устойчивость атомных ядер. Изотопы. Типы радиоактивного распада (примеры). Возникновение гамма-излучения при радиоактивном распаде; схемы распада. Энергетические спектры альфа- и бета-частиц.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Вместе – нуклоны. Число протонов равно заряду и соответствует порядковому номеру в таблице Менделеева. Число нейтронов – разность между массовым числом и зарядом ядра (примеры). При одном и том же числе протонов число нейтронов мо­жет варьировать. Элементы с одинаковым зарядов ядра (оди­наковым числом протонов), но разные числам нейтронов на­зываются изотопами. Соотношение числа протонов и нейтронов в ядрах влияет на устойчивость изотопа, т. е. способность сохраняться (не­ограниченно долго в низменном состоянии). Неустойчивые ядра могут претерпевать самопроизвольные превращения. Причины рваной устойчивости изотопов определяются осо­бенностями сил взаимодействия между нуклонами.

Наиболее существенны следующие свойства внутриядерных сил.

1. Радиус действия ядерных сил около 10-15 м. На таких расстояниях ядерные силы в сотни раз превышают электри­ческие, но с увеличением расстояния ядерные силы резко па­дают.

2. Все нуклоны притягиваются друг к другу независимо от наличия заряда, то сила притяжения одноименных частиц (протон-протон и нейтрон-нейтрон) несколько меньше, чем разноименных (протон-нейтрон). Поэтому притяжение меж­ду нуклонами сильнее, когда число протонов примерно, равно числу нейтронов. Наибольшая сила протяжения у четверти частиц — два протона и два нейтрона. Такая группа назы­вается альфа-частицей. В подобные четверки сгруппирована значительная часть нуклонов в ядрах. Ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, тождественно альфа-ча­стице; оно в высшей степени устойчиво.

На основании оказанного легко понять, что, например, среди изотопов углерода самое устойчивое ядро у изотопа С12, а менее устойчивы С11 и С14. Неустойчивые изотопы называют также радиоактивными. Изотоп 13С не ра­диоактивен, то все же содержится сто в природе намного меньше, чем 12С.

Сказанное справедливо для легких элементов. В иx ядрах число протонов невелико, и электрические силы пренебрежи­мо малы по сравнению с ядерными. В тяжелых элементам электрические силы начинают играть заметную роль. Это объясняется еще одной особенностью ядерных сил — насы­щаемостью, т. е. свойством нуклонов взаимодействовать только с ближайшими соседями, в то время как электриче­ское отталкивание происходит между всеми протонами ядра. Поэтому тяжелые ядра менее стабильны. Устойчивость ядра повышается, если протоны достаточно «разбавлены» нейтро­нами.

Радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превраще­ние атомных ядер. Существует четыре вида радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (в том числе электрон­ный захват), спонтанное деление тяжелых ядер и протонная радиоактивность. При альфа-распаде из ядра вылетают альфа-частицы (яд­ра гелия). Такой вид распада характерен для тяжелых ядер, в которых силы притяжения между нуклонами не слишком превосходят силы электрического отталкивания. В результа­те этого альфа-частицы с определенной вероятностью могут преодолеть потенциальный барьер и покинуть ядро.

Общая схема альфа-распада такова:

Здесь буквами Х и Y обозначены химические символы мате­ринского (распадающегося) и дочернего (образующегося) ядер. При этом заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число — на 4. Эта закономерность называется правилом сме­шения.

В результате такого распада возникает инертный газ — радон, который тоже является радиоактивным.

Внутренняя энергия материнского ядра всегда больше, чем дочернего (иначе не происходило бы самопроизвольного превращения). Поэтому альфа-частицы вылетают из ядра с большой кинетической энергией.

Почти всегда при альфа-распаде испускаются несколько групп различных по энергии альфа-частиц. Говорят, что аль­фа-излучение имеет линейчатый спектр. Некоторая разница в энергиях частиц обусловлена тем, что дочернее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. В соответствии с за­коном сохранения энергии на долю частицы в таком случае остается меньше энергии.

При переходе в основное состояние ядро испускает один или несколько гамма-квантов. Поэтому альфа-распад почти всегда сопровождается гамма-нзлучением.

Бета-распад происходит в трех вариантах: 1) с испуска­нием электрона (бета-минус распад): 2) с испусканием позитрона (т. е. частицы, подобной электрону, но с положи­тельным зарядом) и.ли антиэлектрона (бета-плюс распад);

3) с захватом электрона с одной из близко расположенных к ядру электронных оболочек (Е-захват).

При бета-раснаде в ядре происходит превращение одного из нуклонов. В случае 1 ) нейтрон превращается в протон, а в случаях 2) н 3) протон превращается в нейтрон. Очевидно. что при избытке нейтронов (по сравнению с ядром стабиль­ного изотопа) гораздо вероятнее, что нейтрон превратился в протон, т. е. такие изотопы будут претерпевать бета-минус распад.

При всех видах бета-распада испускается еще одна ча­стица—нейтрино (v). Нейтрино не содержится в ядре, а так же, как электрон или позитрон, возникает в ходе прев­ращения нуклопов. Эта частица не имеет электрического за­ряда, и ее масса очень мала. Поэтому нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, и прак­тически нейтрино большей частью не представляют интереса. Однако нейтрино играет существенную роль в формировании спектра бета-излучения. Выделяющаяся при бета-распаде энергия случайным образом делится между бета-частицей н нейтри­но; в результате энергия бета-частицы может оказаться ка­кой угодно, в пределах от нуля до некоторого максимального значения Еmaх. т. е. энергетический спектр бета-излучения сплошной. (примеры)

В случае Е-захвата ядро не испускает ничего, кроме нейтрино. Однако при переходе электронов с более высоких уровней на место, ока­завшееся незанятым на близкой к ядру оболочке, испускается квант рентгеновских лучей. Возникновение гамма-квантов. Схемы распада Гамма-излучение представляет собой поток фотонов (квантов электромагнитного излучения) с очень малой дли­ной волны (менее 10-10 м). Гамма-кванты возникают при многих физических процессах: радиоактивном распаде, аннигиляции позитрона и электрона, торможении очень быстро летящих заряженных частиц. Радиоактивный распад сопровождается гамма-излучением, если дочернее ядро после испускания частицы оказы­вается в возбужденном состоянии. Это происходит не у всех изотопов, если избыток энергии целиком уносится частицей, ядро оказывается сразу на основном уровне, и гамма-кванты не излу­чаются. Так происходит, например, v изотопов 14С и 32Р: Подобные изотопы называют чистыми альфа- или бета-излучателями. Однако в большем числе случаев часть энергии остается у дочернего ядра и вызы­вает его возбуждение с последующим испусканием одного или нескольких гамма-квантов. Другим источником гамма-квантов является аннигиляция позитрона и электрона. Позитрон двигается в веществе, образуясь в результате распада яд­ра, и очень скоро сталкивает­ся с каким-либо электроном. При этом их заряды нейтрали­зуются, a caми частицы превращаются в два гамма-кванта с энергией 0.51 МэВ. Существенно, что кванты разлетаются в точно противоположных направлениях; это следует из за­кона сохранения импульса.