4.8 Единицы атомной и ядерной физики
Размеры и длительность процессов мира ядерных и атомных объектов совершенно невозможно представить. Единица со множеством нулей после запятой ни о чем не говорит и неудобна в обращении, поэтому в физике ядерных сил и явлений часто используют специальные единицы. Атомная единица массы уже упоминалась нами – это величина соответствующая 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12. таким образом:
1 а.е.м. ≈ 1,66 * 10-27 кг
Единица энергии – электрон-вольт (э В). Электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 В:
1 эВ ≈ 1,60 * 10-19 Дж.
Как уже упоминалось ранее, масса и энергия – взаимопревращаемые свойства физических объектов, поэтому в ядерной физике массу элементарной частицы часто выражают в единицах энергии – мегаэлектронвольтах. В этих единицах массы некоторых элементарных частиц равны:
1 масса электрона ≈ 0,51 МэВ;
1 масса протона ≈ 938,27 МэВ;
1 масса нейтрона ≈ 939,56 МэВ.
За единицу электрического заряда принят элементарный заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона:
1 элементарный заряд ≈ 1,60 * 10-19 Кл.
Единицей площади, для измерения эффективного поперечного сечения ядерных процессов служит барн (б):
1 б = 10-28 м2.
В качестве единиц длины в атомной и ядерной физике иногда используют внесистемные единицы: ферми (фм) 1 фм = 10-15м, и ангстрем (Å) 1 Å = 10-10 м. В качестве единицы времени в ядерной физике иногда применяется ядерное время пролета (τяд) – оно равно времени, которое необходимо нуклону с энергией 1 МэВ, для того, чтобы пройти расстояние равное диаметру ядра. τяд = 10-22 с.
5 Радиоактивность
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний 84Po210 и радий 88Ra226.
В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рисунке 13. изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.
Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержали бы большой избыток нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.
Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.
Таким образом сущность явления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер 2He (ά-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например ά -частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в β-распаде ядер. Понятие радиоактивности распространяют также на β -распад нейтронов.
Электромагнитные взаимодействия, ответственные за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра (переходы между возбужденными и основным состояниями), которые сопровождаются испусканием гамма-излучения - не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений.