Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекц 6 яд хим.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
28.08.2019
Размер:
105.98 Кб
Скачать

Лекц.6 стр.6

Каждая из рассмотренных в предыдущих лекциях моделей ядра имеет определенные достоинства и позволяет объяснить те или иные экспериментальные результаты. Тем не менее, обе модели имеют определенные недостатки и не способны объяснить все имеющиеся данные. О недостатках капельной модели говорилось ранее, оболочечную модель тоже не следует переоценивать. Например, в рамках модели не удается объяснить явления, относящиеся к некоторым свойствам сферических ядер, (главным образом легких) в основном и слабовозбужденном состояниях. Наблюдаются случаи расхождения между предсказываемыми и экспериментальными значениями спинов некоторых ядер. Модель дает заниженные значения электрических квадрупольных моментов и др. В этой связи разработан ряд других моделей, такие как, модель ферми-газа, обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра. Каждая из них позволяет объяснить определенные экспериментальные данные, но ни одна не является исчерпывающей. Рассмотрение этих моделей выходит за рамки интересов данного курса. Ближайшей нашей задачей является рассмотрение специфики протекания ядерных реакций и явления радиоактивности. И, прежде всего, представляется целесообразным рассмотреть специфику поведения фундаментальной ядерной частицы – нейтрона.

Открытие нейтрона

В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер получили сильно проникающее излучение, которое возникало при бомбардировке ядер 4Ве9 -частицами с энергией 5,3 МэВ, испускаемыми радиоактив­ным источником. Поскольку это излучение проходило через слой свинца толщиной в несколько сантиметров, не отклонялось ни маг­нитным, ни электрическим полями, то Боте и Беккер предположили, что это излучение есть не что иное, как высокоэнергетические -лучи.

Пытаясь измерить коэффициент поглощения этих лучей, Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио помещали между источни­ком излучения и ионизационной камерой различные поглотители, такие, как Ag, Сu, Рb, но эти поглотители не оказывали практически никакого влияния на излучение. Тогда они взяли поглотители, бога­тые водородом (вода, парафин, целлофан и т. д.). После прохождения через них излучение стало вызывать большую ионизацию в иониза­ционной камере. При этом оказалось, что тонкий алюминиевый поглотитель способен практически полностью задерживать вторич­ное излучение, исходящее из поглотителя, богатого водородом. На основании своих экспериментов Ирен и Фредерик Жолио-Кюри выдвинули впоследствии оказавшуюся ошибочной гипотезу, что исследуемое ими -излучение в поглотителе, богатом водородом, рассеивается практически полностью на протонах в результате эффекта, аналогичного эффекту Комптона (рис. 1).

Таким образом, они предположили, что первоначальное -излучение выбивает из поглотителя, богатого водородом, протоны, которые задерживаются потом тонким алюминиевым поглотителем. В экспериментах, как им представлялось, происходят две реакции, проиллюстрированные рисунком 2.

Рис.2

Супруги Жолио так же, как Боте и Беккер, ошибочно считали, что при бомбардировке -частицами ядер Be9 образуются -лучи, которые претерпевают комптоновское рассеяние на протонах. При рассеивании -лучи приобретают новую частоту , а получаемые протоны отдачи поглощаются тонким алюминиевым поглотителем.

Как известно, изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии описывается формулой (1):

h

 -------- (1 – cos θ) (1)

тР c

где тР - масса покоя протона. Последнюю формулу можно представить в виде

с с h

 -  ------- -------- = --------- (1 – cos θ) (2)

  тР c

или после несложного алгебраического преобразования в виде

mPc2(hv — h) = hv h (l— cos θ), (3)

где hv = E — энергия налетающего фотона, h = Е'—энергия рас­сеянного фотона,

(hvh) = Кэнергия, передаваемая протону, тР c = 938 МэВ – энергия покоя протона .Таким образом, послед­ней формуле можно придать следующий вид:

тРс2К = ЕЕ'(1— cos θ). В случае «лобового» столкновения (θ = 180°) получаем:

тРс2К + 2Е(Е-К). Энергия налетающего фотона, таким образом, равна:

Е = 1/2 (К + К2 + 2трс2К = 1/2К(1 + 1 + 2трс2/К ) (4)

Перед корнем надо взять знак «плюс», так как энергия положительна.

В экспериментах получается, что протоны отдачи имеют кинети­ческую энергию 5,7 МэВ. Поэтому энергия налетающего фотона должна равняться Е 55 МэВ. Полученное значение намного больше того, которое можно согласовать с обсуждаемыми здесь экспериментами. Действительно, чтобы найти, насколько велика выделяемая в данной реакции энергия, рассчитаем дефект массы для ядерной реакции

2Не4 + 4Ве9 6С13 + ,

Дефект массы можно легко определить:

масса атома He4 = 4,002604 а. е. м. , масса атома Ве9 = 9,012186 а. е. м. Сумма

13,014790 а. е. м. Масса атома С13 = 13,003354 а. е. м. Разница 0,011436 а. е. м.

Таким образом, выделяемая при реакции энергия равна 0,0114 а. е. м..* 931,48 МэВ/а. е. м. = 10,6 МэВ. Вместе с тем, если считать, что происходит комптоновское рассеяние на протонах, то для него нужно иметь -кванты с энергией около 55 МэВ. Следо­вательно, мы приходим к заключению, что неизвестное излучение, наблюдавшееся в экспериментах Боте - Беккера и Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, не могло быть -лучами.

Джеймс Чедвик, работавший в то время в Кавендишской лабора­тории, выдвинул гипотезу, что неизвестное излучение является не -лучами, а потоком неизвестных в то время незаряженных частиц - нейтронов, имеющих примерно такую же массу, как протоны. Еще за 12 лет до этого Резерфорд предполагал существование такой нейт­ральной частицы, но все его попытки ее обнаружить окончились неудачей. Согласно гипотезе Чедвика, в эксперименте Боте - Беккера происходит ядерная реакция

2Не4 + 4Ве9 6С12 + 0n1. (5)

Так как масса ядра Ве9 еще не была точно известна в то время, то при помощи этой ядерной реакции нельзя было рассчитать массу нейтрона. Чедвик взял другую реакцию, а именно

2He4 + 5B11 7N14+ 0n1 (6)

для которой массы ядер В11 и N14 были хорошо известны (символом 0п1 обозначен нейтрон).

Пример 1. Рассчитайте по дефекту массы выделяющуюся энергию в реакции (5), протекающей с образованием нейтрона.

Решение. Согласно уравнению реакции (5) начальная масса равна сумме масс

атома He4 = 4,002604 а. е. м. и массы атома Ве11 = 9,012186 а. е. м., т.е. 13,014790 а. е. м. Сумма масс атома С12 = 12,000000 а. е. м. и нейтрона 1,008665 а. е. м. дает конечную массу = 13,008665 а. е. м.

Дефект массы равен: 13,014790 а. е. м.  13,008665 а. е.м.=0,006125 а. е. м. Выделяющаяся энергия 5,7 МэВ

Данный расчет показывает, что гипотеза Чедвика в самом деле правильно объясняет необычное поведение рассматриваемого излучения. Чедвик действительно открыл и идентифицировал новую составную часть атома — нейтрон.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.