7.4 Атомные ядра

Ядро представляет собой связанную систему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые имеют общее название - нуклоны.

Число протонов в ядре атома определяет величину положительного заряда (z), что является важнейшей характеристикой атома, т.к. от него зависит число электронов в атоме. Поэтому заряд ядра в конечном счете определяет химические свойства элемента и равен порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Размер ядра условно характеризуется радиусом ядра, который с увеличением числа нуклонов увеличивается в соответствии с формулой R = R_0 A^1/3, где R₀= (1,3 ... 1,7)10^-15м.

Плотность "упаковки" нуклонов в ядре очень велика и составляет 10⁴⁴нуклонов/м³(или 10¹⁷кг/м³). Образование прочных компактных атомных ядер из нуклонов объясняется наличием сильного взаимодействия. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответствии с законом сохранения энергии, определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называетсяэнергией связи ядра.

Энергия связи проявляется в уменьшении массы ядра при его образовании по сравнению с суммарной массой нуклонов, составляющих ядро, т.е.

 m = [z m_p+(A-z)m_N]-М_я (7.1)

Тогда Е_св=mc², (7.2)

где m - дефект массы; с - скорость света.

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т.е. энергией, приходящейся на один нуклон.

На рис.7.2. приведена зависимость удельной энергии связи от числа А, характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных химических элементов.

Рис.7.2. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Как следует из рис.7.2. наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами 28 ... 138. По мере увеличения массового числа энергия убывает. Понижение прочности ядер объясняется тем, что в легких ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Реакция слияния легких ядер с образованием тяжелых (стрелка 1) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2) перспективны с точки зрения получения энергии.

7.5 Ядерные реакции. Радиоактивность.

Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элементов получаются ядра других элементов.

Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, при столкновении ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный распад).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Например, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтронами образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс. Этот процесс может завершиться взрывом.

Взрыв можно предотвратить, если часть нейтронов удалить из делящегося вещества, тогда реакцией деления можно управлять. Описанный процесс называется цепной реакцией деления. Схема цепной реакции показана на рис.7.3.

Рис.7.3. Схема цепной реакции деления

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных частиц называется радиоактивностью.

Естественная радиоактивность была открыта А. Беккерелем (1896 г), а искусственная - супругами Ирен и Фредериком Жолио-Кюри (1936 г).

Основными признаками радиоактивности является альфа-, бета- и гамма- распад. При альфа- распаде из радиоактивного ядра испускается a -частица, т.е. ядро гелия , состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, дочернее ядро имеет на два протона и два нейтрона меньше, чем исходное.

Возможность -распада связана с тем, что масса (а значит и энергия покоя) радиоактивного ядра больше суммы масс (суммарной энергии покоя)-частицы и образовавшегося после-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра (М_я) освобождается в форме кинетической энергии дочернего ядра (Т_дя) и-частицы (Т). Кинетическая энергия у большинства-радиоактивных ядер заключена в небольших пределах: 4 ... 9 МэВ. Периоды полураспада, наоборот, изменяются очень сильно: от 10^-7с до 10¹⁷лет. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер с z82. На рис.7.4 показан механизм образования-частицы.

Рис.7.4. К образованию a -частицы

В процессе b -распадаиз радиоактивного ядра самопроизвольно испускается электрон(электронный b ^--распад) или позитрон (позитронный  ⁺-распад), которые возникают в самый момент-распада (их нет в ядре). Третьим видом-распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома(электронный захват).

Во всех трех случаях -распад сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино. В результате^--распада заряд ядраповышается, а в результате⁺-распада и электронного захвата онпонижается на единицу.

Например:

Как и в случае -распада, возможность-распада определяется тем, что исходное радиоактивное ядро имеет большую массу (и энергию покоя), чем продукты-распада. Избыток энергии покоя освобождается в форме кинетической энергии дочернего ядра (Т_дя), электрона (Т_е) и энергии антинейтрино (нейтрино) (Т). Период полураспада Т_{0,5 } 10,5 мин.

В процессе  -излученияядро самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное или в состояние покоя. При этом избыток энергии ядра освобождается в видекванта коротковолнового электромагнитного излучения ( -кванта). При этом массовое число А и атомный номер ядра z не изменяются, поскольку-излучателями являются практически все дочерние ядра -продукты распада  - и  -радиоактивных ядер, т.к. они образуются не только в основном, но и в возбужденном состоянии. Энергия-квантов, испускаемых после-распада, обычно не превышает 0,5 МэВ. Энергия-квантов, испускаемых после-распада, достигает 2 ... 2,5 МэВ.

Несмотря на различие механизмов излучения при -,- и-распаде, все они представляют опасность для биологических структур.