- •Передмова
- •Мета і завдання дисципліни, її місце у навчальному процесі
- •Загальні вказівки до вивчення дисципліни
- •Вказівки до самостійної роботи
- •Вказівки щодо розв'язування задач
- •Вимоги до оформлення контрольних робіт
- •Спектральні закономірності водню
- •Модель воднеподібного атома по Бору
- •Потенціали збудження та іонізації
- •Хвильові властивості речовини
- •Рівняння Шредінгера
- •Атом водню у квантовій механіці
- •Хвилі де Бройля
- •Співвідношення невизначеностей
- •Квантування орбітального моменту імпульсу електрона
- •Квантування орбітального магнітного моменту електрона
- •Спін електрона. Заповнення електронних оболонок і шарів.
- •Частинка у потенціальній ямі
- •Закономірності радіоактивних процесів
- •Поняття про ядерні реакції
- •Тинок,вони перетворювались на ядра ізотопу фосфору із викидом нейтронів:
- •Будова ядра
- •Дефект маси і енергія звязку ядра
- •Явище радіоактивного розпаду
- •Ядерні реакції
- •Енергетичний вихід ядерних реакцій
- •Рекомендована література
- •Тестові завдання з розділу “ядерна фізика”.........................................49 Будова ядра............................................………………………………………...49
- •Енергетичний вихід ядерних реакцій................................................................66
Закономірності радіоактивних процесів
Природною радіоактивністю називається явище спонтанного (самодовільного) перетворення атомних ядер нестійких ізотопів одних хімічних елементів в ізотопи інших, що супроводжується викидом елементарних частинок і випромінюванням енергії. Явище відкрите у 1896 році Бекерелем, який винайшов, що уранова сіль випромінює невідомі промені, здатні проходити через папір, дерево, тонкі металеві пластинки, іонізують гази, спричиняють почорніння фотопластини, флуоресцентне світіння ряду твердих тіл і рідин. Це випромінювання було назване радіоактивним. Радіоактивними властивостями володіють також радій, полоній, актиній, торій.
Експериментально було встановлено, що радіоактивне випромінювання має неоднорідний характер і складається із декількох видів. У магнітному полі тонкий пучок радіоактивного випромінювання розщеплюється на три складових: слабо відхилюваний пучок позитивних -променів - моноенергетичних ядер гелію; сильно відхилюваний пучок негативних -променів - швидких електронів; невідхилюваний пучок -променів - короткохвильового електромагнітного випромінювання із дуже малою довжиною хвилі та яскраво вираженими корпускулярними властивостями.
Розпад ядер є випадковою подією, тому зміна радіоактивності зі спливанням часу повинна підлягати статистичній закономірності. Кількість ядер радіоактивного ізотопу зменшується з часом за експоненціальним законом, який називають
|
законом радіоактивного розпаду: де N0 – початкова кількість радіоактивних ядер (у момент часу t=0), N – кількість ядер, які ще не розпались на момент часу t. |
Коефіцієнт характеризує вірогідність розпаду ядра атома у одиницю часу і називається сталою радіоактивного розпаду. Проміжок часу Т, за який в середньому кількість ядер, які не розпались, зменшиться удвічі, називають періодом піврозпаду. Якщо t=T, то за визначенням N=N0/2, тобто:
|
звідки Т=ln(2), або Т=ln(2)/=0,693/. Період піврозпаду є сталою величиною для даного ізотопу, яка змінюється від 4,5 мільярдів років у урану до 310-7 секунди у полонію. Активніс- |
тю радіоактивного ізотопу називають кількість ядер, які розпадаються за одиницю часу: А=dN/dt=N. Одиниця активності – 1 Бекерель (Бк) – активність нукліду, при якій за 1 с відбувається 1 акт розпаду. Частіше застосовується одиниця активності 1 Кюрі (Ки): 1 Ки=3,71010 Бк. Залежність активності ізотопу від часу та-
|
кож має експоненціальний характер: де А0 – активність ізотопу у початковий момент часу t=0. Величину =1/ називають середнім часом життя радіоактивного |
ізотопу. Значення величин і визначаються лише властивостями атомного ядра ізотопу і не залежать від зовнішніх умов.
Атомне ядро, що здійснює радіоактивний розпад, називається материнським (символ материнського ядра ). Атомне ядро, яке утворюється в результаті радіоактивного розпаду, називається дочірнім (символ дочірнього ядра ). При ядерних перетвореннях виконуються закони збереження зарядового і масового чисел:
Сума зарядових чисел утворених дочірніх ядер і частинок дорівнює зарядо-вому числу початкового материнського ядра.
Сума масових чисел утворених дочірніх ядер і частинок дорівнює масовому числу початкового материнського ядра.
Наслідком законів збереження зарядового і масового чисел є правила змі-щення, які дозволяють встановити, які ядра і частинки виникають в результаті розпаду даного материнського ядра. Розглянемо особливості кожного із видів радіоактивного розпаду ядер.
-Розпад – це розпад важких атомних ядер (А200, Z>82), який супроводжується випромінюванням -частинок – ядер ізотопу гелію . Тільки невелика група ядер рідкоземельних елементів із масовими числами А=140160 є -активными. Правило зміщення для - розпаду має вигляд: Умова протікання -розпаду: маса материнського ядра мусить бути більшою за суму мас дочірнього ядра і -частинки, оскільки дочірнє ядро часто виникає у збудженому стані, і відбувається викид одного або декількох -квантів. -Частинки утворюються в момент радіоактивного розпаду при зустрічі рухомих усередині ядра двох протонів та двох нейтронів. Прикладами -розпаду є такі ядерні перетворення:
-Розпад – інший вид радіоактивного випромінювання, пов'язаного з перетворенням нуклонів у ядрі. Вивчення -розпаду показало, що енергетичний спектр -частинок, які вилітають із ядра, має суцільний характер (на відміну від -частинок) аж до деякого максимального значення Еmax. -випромінюваня відхиляється електричним і магнітним полями, воно сильно розсіюється речовиною. Його іонізуюча здатність значно менша, а проникна здатність набагато більша, ніж у -частинок. Згідно сучасним уявленням, існує три різновиди -розпаду: електронний, позитронний і К-захоплення. Експериментально було встановлено, що масове число ядра при -розпаді не змінюється, тому не повинен змінюватись сумарний спін всіх нуклонів у ядрі. -Частинка, що вилітає із ядра, має спін ħ/2 і мусить змінити спін ядра, проте цього не відбувається. Аналізуючи дослідні дані, В.Паулі припустив, що разом із -частинкою, з ядра повинна вилітати ще одна частинка, яка не має заряду і маси спокою, проте має спін, рівний спіну електрона. При одночасному вильоті із ядра, спіни їх орієнтовані у протилежних напрямках, тому сумарний спін ядра при -розпаді зберігається. Нейтральні частинки, що випромінюються при електронному і позитронному -розпаді, не тотожні. Частинка, що випускається при позитронному розпаді, називається нейтрино (), а при електронному – антинейтрино . Правило зміщення для електронного --розпаду має вигляд: ( - символічне позначення електрона, - електронного антинейтрино). Згідно гіпотезі Фермі, який розробив теорію -розпаду, в ядрі можливі взаємні перетворення нуклонів, в результаті яких з'являються електрони (хоча до складу ядра вони не входять) і антинейтрино. --розпад відбувається за схемою: . (Тут - символічне позначення нейтрона, а - протона). Оскільки маса нейтрона більша за масу протона, такі перетворення супроводжуються виділенням енергії. Часто --розпад супроводжується випуском -випромінюваня, відповідного переходу дочірнього ядра зі збудженого енергетичного стану у основний. Правило зміщення для позитронного +-розпаду має вигляд: ( - символічне позначення позитрона – античастки електрона, - електронного нейтрино). Цей вигляд -розпаду відбувається у тому випадку, якщо в ядрі один із протонів перетворюється на нейтрон. +-Розпад відбувається за схемою: Оскільки маса спокою протона менша, ніж у нейтрона, то така реакція для вільного нейтрона спостерігатись не може. Проте, для протона у ядрі ця реакція виявляється енергетично можливою завдяки ядерній взаємодії частинок: енергія запозичується від сусідніх нуклонів.
У багатьох ядер важких елементів має місце процес третього типу -розпаду, який називається електронним або К-захопленням. В цьому випадку збуджене материнське ядро захоплює електрон із внутрішньої К-оболонки атома. Правило зміщення для К-захоплення має вигляд: При цьому один із протонів ядра перетворюється на нейтрон і випускається нейтрино. Поява нейтрино випливає із закону збереження спіну. К-захоплення відбувається за схемою: Його характерною особливістю є характеристичне рентгенівське випромінювання, яке виникає при заповненні вакансій, утворених у внутрішніх електронних оболонках атома. Вся енергія розпаду виноситься нейтрино, на відміну від попередніх видів -розпадів, де енергія розподілялась між обома типами випромінених частинок.
-випромінювання ядер – найбільш короткохвильове електромагнітне випромінювання, що супроводжує - та -розпади, а також виникає при ядерних реакціях, при гальмуванні заряджених частинок у речовині, при їхньому розпаді. Воно не відхиляється електричним і магнітним полями, володіє відносно слабкою іонізуючою і дуже великою проникною здатністю. При проходженні через кристали, -випромі-нювання здійснює дифракцію. Володіючи найменшою довжиною хвилі (10-12 м), воно має яскраво виражені корпускулярні властивості. Спектр -випромінювання є лінійчатим, що служить доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер. Вільні нуклони, як і електрони, не можуть випромінювати -кванти, оскільки це суперечило б законам збереження імпульсу та енергії. Усередині ж ядра це можливо, оскільки випущений (поглинений) -квант може обмінятись імпульсом із нуклонами ядра. При -випромінюванні масове число А і зарядове число Z не змінюються, тому воно не описується правилами зміщення. -Випромінювання випускається не материнським, а дочірнім ядром. Повертаючись у основний стан, збуджене ядро може пройти через ряд проміжних станів. Тому -випромінювання певного радіоактивного ізотопу може містити декілька груп -квантів, відмінних своєю енергією.