Физика атомного ядра

Первое ядерное явление – естественная радиоактивность (1896) А. Беккерель. Он обнаружил ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсии под действием солей урана.

Таблица 5. Основные этапы исследования радиоактивности, приведшие к освоению ядерной энергии

Год открытия	Имя ученого, годы его жизни	Содержание открытия
1789	М.Клапорт (1743 –1812)	Выделил чистую окись урана UO2
1841 1896 1896... 1898 1899... 1901 1897 1902 1900 1900... 1903 1903 1912 1913 1919... 1940 1919 1929 1931 1931 1931 1932 1932 1934 1934 1938 1939 1939 1939 1939 1941 1942 1945 1946	Э. Пелиго (1811 – 1890) А.Беккерель (1820 –1891) М.Склодовская- Кюри (1867 –1934), П Кюри (1859 – 1906) Э. Резерфорд (1871 – 1937) М. Кюри П. Вийяр (1860 – 1934) Э. Резерфорд, Ф. Содди (1877 –1956) Ф. Содди. Рамзай П. Кюри, А. Лаборд Ч. Вильсон (1869 – 1959) Исследования большого числа ученых Ф.Астон (1877 – 1945) Э. Резерфорд Г. Гамов (1904 –1968) Р. Ван де Грааф (1901-1967) Э.Лоуренс (1901 – 1958) В. Паули (1900 – 1958) Дж.Чедвик (1891 – 1974) Д.И.Иваненко В.Гейзенберг, Э. Майорана Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри Группа молодых ученых под руководством Э. Ферми О. Ган, Ф.Штрассман Г. Бете О. Фриш, Л. Мейтнер Э. Ферми Э. Макмиллан Г. Сиборг Коллектив ученых и инженеров	Получил металлический уран. Это тяжелый металл серо-стального цвета. Плотность урана 19 г/см3. Температура плавления 1132º С . Вначале ему приписывали атомный вес 120, но в 1874 г. Менделеев исправил его на 240. Урана на Земле много: в граните – 25 г на тонну. Открытие радиоактивности урана: соль урана испускает лучи неизвестной природы, которые ионизируют воздух и засвечивают фотопластинку. Открытие радиоактивности тория. Введение термина: «радиоактивность». Открытие радиоактивных элементов: радия 226Ra и полония. Введение терминов: альфа-, бэта- и гамма-лучи. β- лучи – поток быстрых электронов. α-лучи – поток дважды ионизированных атомов гелия. Получение металлического радия. Установление природы радиактивных γ-лучей: это коротковолновые рентгеновские лучи. Открытие благородного газа – радона 226Rn, продукта радиоактивного распада радия. Вывод о том. что радиоактивность – это распад ядра атома на заряженную частицу и атом другого элемента. Ведение термина: период полураспада радиоактивного элемента Т1/2, который не зависит от условий среды. Период полураспада радия - 1600 лет. Прямые спектральные наблюдения: исчезновения химического элемента - радона в эманации радия - газе, который выделяют соли радия. Радон образуется ходе ядерной реакции: 226Ra → 222Rn + 4He. Период полураспада радона равен 3,82 дня. Установили, что тепло, выделяющеся при радиоактивном распаде 1 г радия эквивалентно количеству теплоты, выделяющейся при сгорании 500 кг угля. Энергия процессов, происходящих в ходе ядерных реакций в 107 раз больше, чем в химических реакциях с тем же количеством вешества. Изобретение первого трекового детектора заряженных частиц – камеры Вильсона, основаннной на коденсации пересыщенного пара на ионах, выделяющихся вдоль трека заряженной частицы. Треки фотографируют. Открытие радиоактивных семейств урана, тория и актиния. Радиоактивные элементы, существующие в природе возникают в ходе цепочек радиоактивных альфа- и бэта-распадов этих элементов. Например, в результате 8 альфа-распадов и 6 бэта-распадов уран 238U превращается в свинец 206Pb. Все радиоактивные элементы нашли свои места в таблице Менделеева. Изобретения масс-спектрографа – прибора для точного измерения атомных масс. С помощью этого прибора к 1940 г был открыт 281 стабильный изотоп, из которых 210 открыл Астон. Большинство элементов в природе состоят из смеси изотопов. В 1932 г. Г. Юри открыл тяжелый водород – дейтерий, ядро которого состоит из протона и нейтрона. В 1935 г. А. Демпстер обнаружил изотоп урана 235U. Доказательство искусственного превращения элементов в ходе ядерной реакции: . Открытие «современной алхимии». Обоснование необходимости создания ускорителей частиц, т.к. энергии естественных альфа-частиц, испускаемых радием недостаточно для проникновения в ядра частиц тяжелее калия. Теоретическое объяснение альфа-распада ядер. Создание линейного ускорителя частиц Создание циклотрона – циклического ускорителя электронов. Предсказание существования нейтрино – нейтральной частицы, не имеющей массы покоя, со спином ½. Открытие нейтрона – нейтральной чатицы с массой покоя mn = 1,008665 а.е.м., близкой к массе протона mp = 1,00727 а.е.м. Было обнаружено, что нейтрон образуется в ядерной реакции: . Идея о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Заряд ядра и номер элемента определяется числом протонов, а массовое число элементов – суммарным числом протонов и нейтронов. Открытие искусственной радиоактивности – образования радиоактивных элементов в результате ядерных реакций, происходящих при облучении веществ альфа-частицами. Открытие 47 новых изотопов, образующихся в результате облучения ядер нейтронами. Например, . Изотоп алюминия 28 за 2,3 минуты рападается на кремний 28, электрон и нейтрино. Обнаружение замедления нейтронов, при их распространении в воде. Повышение эффективности ядерных реакций при участии более медленных нейтронов. Открытие деления ядра урана с выделением 200 Мэв энергии. При делении 1 г. урана выделяется энергия, эквивалентная энергии, выделяющейся при сгорании 3 т. угля. Разными учеными опубликовано более 100 статей по делению урана. Теория ядерного горения в звездах и Солнце. Деление ядра урана при попадании в него нейтрона происходит более чем 50 способами. Массы осколков в среднем относятся как 3:2. Предсказание возможности реализации цепной реакции деления при использовании урана 235, так как среднее число нейтронов, выделяющихся при делении урана 235, равно 2,42 (это число до 1950 г. являлось важным государственным секретом). Для реализации цепной реакции деления урана было необходимо решение двух проблем: 1. проблемы замедлителя нейтронов, который их слабо поглощает (тяжелая вода или чистый углерод, графит). 2. Проблемы обогащения природного урана, состоящего из 99,28% 238U и 0,72% 235U изотопом урана 235. Открытие плутония. Плутоний образуется в результате облучения урана 238 нейтронами: . Период полураспада плутония равен 24000 лет. Создание первого уран-графитового ядерного реактора в США под научным руководством Э. Ферми. Создание в США атомных бомб на основе урана 235 (критическая масса 47,8 кг) и плутония (критическая масса 9,65 кг). Плутоний образуется в ядерных реакторах в результате облучения урана 238 нейтронами. Оружейный плутоний химически выделяют из отработанных топливных элементов ядерных реакторов. Создание советского ядерного реактора под научным руководством И.В. Курчатова.

Масс-спектроскопия – один из основных методов исследования атомов

Масс-спектрометр - прибор для разделения ионизированных частиц, атомов или молекул по отношению их массы к заряду путем воздействия магнитных и электрических полей в вакууме на пучок исследуемых частиц.

Масс-спектрометры позволяют точно определить массу атомных изотопов, молекул (в том числе многоатомных органических соединений), элементный и относительный изотопный состав вещества.

Масс-спектроскопия возникла в начале века в результате исследований английских ученых Томсона и Астона (J.J. Thomson, F.W. Aston). Используя масс-спектрометр к 1919 г. Астон открыл 212 стабильных нуклидов.

В зависимости от назначения прибора существует большое разнообразие конструкций масс-спектрометров. Общие элементы любого масс-спектрометра следующие:

• Источник ионов. Используются разные способы ионизации вещества: ионизация электронным или ионным ударом, фотоионизация или ионизация в сильном электрическом поле (полевая ионизация).

• Масс-анализатор, в котором происходит разделение ионов по величине e/m и фокусировка ионов на поверхность приемника. Разделение ионов осуществляется в постоянных электрических и магнитных полях или в радиочастотных полях.

• В первых масс-спектрометрах для регистрации спектра масс использовались фотопластинки. Воздействие ионов, попадающих на фотопластинку, аналогично действию света. Степень почернения экспонированной пластинки в каждой точке пропорциональна количеству ионов, попадающих на пластинку. В современных масс-спектрометрах используются электронные методы регистрации ионных токов.

• источник ионов, масс-анализатор и приемник ионов находятся в вакуумной камере с достаточно низким давлением (10^-3 ... 10^-7 Па).

Масс-спектр представляет собой зависимость степени почернения фотопластинки или ионного тока от массы иона.

B 3

2

м₁/е

м₂/е

1 м₃/е

4

Рис. 44. Схема масс-спектрометра. 1 – источник ионов, 2 – щель, формирующая пучок ионов, 3 – магнитный масс-анализатор, 4 – щель, выделяющая ионы с одинаковым отношением массы к заряду, за которой устанавливается электронный приемник ионов. При регистрации масс-спектра на фотопластинке щель 4 не используется.

R=1600

м_0,5

198 200 202 204 M,

а.е.м.

Рис. 45. Спектр масс свинца. Масс-спектр - содержит информацию о значениях масс частиц и их относительном содержании в веществе.

Разрешающая способность масс-спектрометров (R = M/M ) может достигать значения 10⁶. Масс-спектрографы позволяют обнаружить минимальное содержание вещества в смеси веществ в диапазоне 10^-3 ... 10^-7 %. Абсолютная чувствительность (минимальное количество вещества, которое можно обнаружить) масс-спектрометра достигает 10^-15 г.

В масс-спектрометрах ионно-циклотронного резонанса разрешающая способность R ~ 10⁵, а массу иона можно установить с точностью лучшей, чем 10^-8 а.е.м. Это позволило провести систематические прецизионные измерения масс атомов.

В ионно-циклотронном масс-спектроскопе ионы движутся в однородном магнитном поле по спирали с циклотронной частотой орбитального движения  = eH/(mc). Это позволяет измерить концентрацию ионов с данной величиной m/e по резонансному поглощению электромагнитного излучения ионами на этой частоте. Для улучшения характеристик масс-спектрографа магнитное поле напряженностью до 10⁵ Э создается сверхпроводящим соленоидом, в котором находится поглощающая ячейка - радиочастотный резонатор.

Прецизионное измерение масс ионов основано на определении положения пика на шкале масс и сравнении его с эталонными пиками. Максимальная точность измерения массы ионов обеспечивается при сравнении пиков, образованных ионами с одинаковым числом нуклонов (массовым числом А) , но разным составом ядер - дублетов. Например, разность масс в дублете ³He⁺ - ³T⁺ определена с точностью до нескольких эВ.

Электроны с энергией, равной нескольким десяткам эВ, разбивают сложную многоатомную органическую молекулу на ионы-осколки. Масс-спектр осколков молекулы, таким образом, несет информацию о молекулярной массе и структуре исходной молекулы. На этом основан качественный и количественный анализ химического состава веществ, в том числе сложных органических молекул.

Существуют библиотеки масс-спектров, содержащие масс-спектры около 100 000 веществ. Такими библиотеками снабжены компьютеры, входящие в состав масс-спектрометров. Это позволяет либо однозначно идентифицировать вещество, сопоставляя зарегистрированный спектр с каталожным или, в случае очень сложных молекул, определить возможные варианты формулы молекулы. Эффективность масс-спектрометрического молекулярного анализа резко возрастает при его комбинации с другими методами, особенно с хромотографией. Эти методы широко применяются в биологии, химии, криминалистике.

Дробные атомные веса природных химических элементов объясняются существованием изотопов (Содди Ю. 1910).

На 1981 г. известно 276 стабильных (  10¹⁰ лет) изотопов 83 природных элементов и более 2000 радиоактивных изотопов 107 природных и искусственных элементов.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом, возникающие при сближении частиц на расстояния меньшие ~ 10^-15 м. Ядерные реакции осуществляют в основном бомбардировкой мишеней пучками заряженных частиц или нейтронов.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, заряда, импульса, момента импульса и ряд других завонов сохранения.

В ядерных реакциях часть кинетической энергии движения частиц может превращаться в массу (энергию покоя) и наоборот.

Запись ядерных реакций заимствована их химии:

Открытие нейтрона Чэдвик (1932):

Рис. 46. Схема экспериментальной установки Чэдвика. Радий – бериллиевый источник нейтронов с энергией 6 ...7,7 МэВ.

Нейтроны образуются при облучении ядер атомов бериллия альфа-частицами, испускаемыми ядрами полония.

.

Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому для определения его массы нельзя использовать масс-спектрометр. Соударение нейтронов с атомами газа в ионизационной камере регистрируют в виде импульса тока. (Атомы отдачи ионизируют газ). Энергию и импульс нейтронов определяют из законов сохранения энергии и импульса при столкновении нейтрона с атомом водорода или азота.

Точное значение массы нейтрона нашли из энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтронов. m_n – m_p = 1,3 МэВ.

Период полураспада свободного нейтрона равен 11,7  0,3 мин.

Энергия связи ядра

Знание точных значений масс протона и нейтрона, а также точные масс-спектрометрические измерения масс атомов, позволяет сравнивать массу атомного ядра с суммарной массой нуклонов, из которых оно состоит. Масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит. Эту разницу масс назвали дефектом массы.

Распространенность элементов в Природе.

Зависимость числа протонов и нейтронов в природных элементах.

Рис. 47. Относительное уменьшение числа протонов по сравнению с числом нейтронов в ядрах тяжелых элементов объясняют кулоновским отталкиванием протонов.

Возникновение химических элементов в Природе

Химическая эволюция в Природе началась с появления атомов более массивных, чем первичные водород и гелий. По современным представлением химические элементы не всегда были в Природе, а возникли на определенном этапе ее развития. В соответствии с общепринятой теорией Большого взрыва, основы которой заложил Г. Гамов, Вселенная возникла 13,7 миллиардов лет назад. В первые моменты после Большого взрыва плотность и температура во Вселенной были бесконечно большими, так как весь доступный сегодня наблюдению мир галактик находился в пространственной области, имеющей, как полагают, атомные размеры. В этих условиях существование привычной нам материи и стабильных элементарных частиц, из которых Вселенная состоит в настоящее время, было невозможно. Первичной материей, по-видимому, был свет – чрезвычайно коротковолновое электромагнитное излучение.

Не касаясь самых ранних этапов эволюции материи (о которых на сегодняшний день судить невозможно) можно отметить, что спустя десять секунд после начала Большого взрыва (начала расширения Вселенной) температура понизилась до 10 миллиардов градусов, появились стабильные материальные частицы: протоны, нейтроны и электроны. С этого времени стала возможной ядерная реакция слияния протона и нейтрона с образованием ядер дейтерия. При дальнейшем остывании Вселенной дейтоны превращаются в ядра гелия.

На этой дозвездной стадии эволюции ядра других элементов не успели образоваться, так как температура непрерывно расширяющейся Вселенной быстро падала. Таким образом первичное вещество Вселенной - это плотная высокотемпературная плазма состоящая из электронов и ядер водорода, дейтерия и гелия.

Через миллион лет после Большого взрыва температура вещества во Вселенной остается однородной и падает до 3500 К. При этой температуре происходит рекомбинация ядер с электронами: образуются электрически нейтральные атомы гелия и водорода, так как столкновения атомов, как правило, уже не приводят к их ионизации. Космическая плазма, поглощающая свет, исчезла и Вселенная стала прозрачной, проницаемой для световых лучей. Это излучение, приходящее к нам от далеких, быстро удалаяющихся областей Вселенной, регистрируется с помощью радиотелескопов. Это реликтовое или микроволновое фоновое излучение.

Первичный космический газ неустойчив из-за гравитации. Тепловое движение атомов приводит к возникновению флуктуаций плотности вещества как в малых, так и в больших масштабах. За счет сил гравитационного притяжения газ начинает сгущаться во вращающиеся облака, из которых формируются галактики и звезды. Звезды первого поколения называют «протозвездами». Дальнейший синтез вещества продолжается уже в недрах протозвезд, где возникают новые, более массивные чем гелий ядра химических элементов.

Рис. 4.1. Зависимость энергии связи, приходящейся на нуклон, от массового числа для ядер химических элементов. Наиболее устойчивы атомы, имеющие массу около 60 а.е.м. (железо, никель, кобальт). Синтез ядра железа из более легких элементов или образование этого ядра при распаде более тяжелых элементов сопровождается выделением энергии, которую можно определить по графику. Приведенная зависимость получена на основании сравнения масс ядер, измеренных масс-спектрометрами.

В процессе конденсации космического газа в протозвезду в результате гравитационного сжатия температура в центре звезды достаточно больших размеров повышается до сотен миллионов градусов. В результате там начинаются термоядерные реакции образования тяжелого водорода – дейтерия и гелия:

Эти реакции протекают с выделением энергии, которое приводит к ещё большему росту температуры и служит основным источником энергии для свечения звезд.

По мере того, как водород «выгорает», звезда сжимается, температура в центре звезды повышается и начинаются реакции образования ядер углерода и кислорода. Углерод образуется в результате слияния трех ядер гелия, а кислород – четырех. Впрочем, образование кислорода может происходить в результате слияния ядер углерода и гелия.

. . .

По такой же схеме образуются ядра неона, магния и т.д. с массами ядер кратными четырем массам протона.

Постепенное возрастание температуры в звезде приводит к синтезу все более тяжелых ядер вплоть до самых стабильных ядер железа. Все эти реакции происходят с выделением энергии в виде кинетической энергии частиц и гамма-квантов.

Образование ядер массивнее железа происходит уже не с выделением, а с поглощением энергии. Это ядерные реакции с захватом ядрами нейтронов:

¹⁸¹Ta + n→ ¹⁸²Ta→^{-β 182}W; ¹⁸²W + n→ ¹⁸³W + n → ¹⁸⁴W; ¹⁸⁴W + n →^{n 185}W→^{-β 185}Re...

Так, захват ядром тантала 181 нейтрона приводит к образованию радиоактивного изотопа тантала 182. В результате бэта-распада (ядерной реакции, в которой ядро испускает электрон) это ядро превращается в вольфрам 182. Захват нейтронов ядрами вольфрама приводит к образованию новых, более тяжелых изотопов вольфрама. Радиоактивный вольфрам 185 при бэта-распаде превращается в ядро рения.

В подобных процессах в качестве самого массивного элемента возникает нуклид висмута 209. Все более тяжелые ядра оказываются радиоактивными и распадаются с испусканием альфа-частицы. Поэтому процесс последовательного увеличения массы ядер внутри звезды за счет захвата нетронов имеет предел.

Ядра более тяжелые, чем висмут 209, вплоть до урана синтезируются во время взрыва звезды в условиях огромной плотности нейтронов, при которой возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами. Высокая температура во время взрыва достаточна, чтобы при столкновениях происходило также слияние ядер элементов с образованием тяжелых ядер урана.

Обращаясь к нашей солнечной системе можно считать, что первоначальная масса протозвезды, бывшей на месте Солнца, превышала критическую (равную примерно 1.5 массам Солнца). Процесс сжатия звезды с массой больше критической, происходящий в ходе синтеза в ее недрах все более тяжелых химических элементов, приводит к взрыву. Протосолнце, спустя несколько миллиардов лет после своего возникновения взорвалось, снова превратившись в газовое облако, состав которого уже обогащен более тяжелыми, чем водород и гелий элементами.

Процессы образования звезды в результате гравитационного сжатия газового облака и ее взрыва могут происходить несколько раз до тех пор, пока масса звезды не станет меньше критической. Таким образом, процесс эволюции Солнца, сопровождающийся взрывом протосолнца, привел к образованию всего спектра химических элементов Солнечной системы и выбросу этих элементов в окружающее космическое пространство. Облако, образовавшееся после взрыва протосолнца состоит уже не только из газа, но и из пыли. При охлаждении газового облака в условиях космического вакуума однородные атомы слипаются в частички пыли. Разнородные атомы объединяются в молекулы. Таким образом произошло образование вещества, содержащего всё многообразие химических элементов. В Природе началась химическая эволюция.

Из вращающегося газо-пылевого, протопланетного облака, образовавшегося после взрыва протосолнца, в результате действия гравитационных и центробежных сил сформировалась планетная система.

Ядра с избыточным числом протонов или нейтронов радиоактивны.

Среднее значение энергии связи в расчете на нуклон для большинства ядер равно 8 МэВ.

Ядерные силы на расстояниях ~ 1 ферми (10^-15 м) имеют характер притяжения, превышающего электрические силы ~ 1000 раз.

Магические ядра - ядра у которых число протонов или нуклонов равно одному из чисел: 2; 8;20 (28); 50; 82; 126. Дважды магические ядра: гелий 4, кислород 16, кальций 40, кальций 48, свинец 208 отличаются большой энергией связи и распространенностью в природе.

Существование магических чисел объясняет оболочечная модель ядра. Протоны и нейтроны в ядре сохраняют свою индивидуальность и движутся в общем поле ядерных сил по орбиталям подобно электронам в электронных оболочках атомов. Обоснование этого факта – равенство с точностью до четвертого знака масс атмных ядер сумме масс нуклонов, из которых оно состоит.

Энергетические состояния нуклонов в ядрах атомов образуют систему дискретных энергетических уровней. Закномерности гамма-излучения ядер изучает наука: ядерная спектроскопия.

Рис. 49. Зависимость сечения поглощения нейтронов ядрами урана-238 от энергии нейтронов.

Рис. 50. Спектр нейтронов, возникающих при делении ядер урана-235.

Рис. 51. Условная схема ядерного реактора. 1 – замедлитель нейтронов, 2 – отражатель нейтронов, 3 – топливные элементы (обогащенный уран). 4- канал охлаждения, 5 –регулирующие стержни (поглотители нейтронов), 6 – защитная оболочка.