Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 28
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА
Содержание
: Строение атомного ядра. Модели ядра. Природа ядерных сил. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада, α –, β – и γ – излучение атомных ядер. Строение атомного ядра
Состав ядра
Атомное ядро
это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена вся масса атома. Атомное ядро
любого химического элемента (кроме атома водорода) состоит из протонов и нейтронов
(рис. 12.1). Эти частицы называются нуклонами.
Рис. 12.1
Характеристики
нуклонов
Масса = 1,00759 а.е.м. = 938.28 МэВ = 1,00898 а.е.м. = 939.55 МэВ
[ Магнитные моменты
протона и нейтрона соответственно равны:
где Характеристики атомного ядра
Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зарядовое Z
и массовое А
числа. Характе-
ристика
Зарядовое число Массовое число Заряд ядра Итак, число Z
равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд Ze.
Его также называют атомным номером.
Массовое число А
определяет число нуклонов в ядре. Число же нейтронов в ядре N
= А
– Z.
Символически эти характеристики ядра обозначают так: Изотопы, изобары, изотоны
Атомные ядра одного и того же элемента с различным числом нейтронов Атомные ядра различных элементов с одинаковым массовым числом Атомные ядра различных элементов с одинаковым числом нейтронов Изотопы имеют одина-ковые Z,
но разные А
Изобары имеют одинаковые А,
но разные Z
Изотоны имеют одина-ковые N,
но разные Z
и А Пример:
Пример:
Пример:
Дефект массы и энергия связи ядра
Для того чтобы разделить ядро на отдельные свободные нуклоны необходимо произвести работу Известно, что энергия покоя частицы связана с ее массой как
На практике используется не работа, а величина, определяемая с обратным знаком и называемая энергией связи ядра
,
Перепишем это выражение через массы атомов, которые содержатся в физических таблицах. Для этого добавим и вычтем к правой части предыдущего равенства массу электронов, содержащихся в атоме, т.е. Здесь
В физических таблицах обычно приводятся не массы Величина
называется дефектом массы
ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон,
называется удельной энергией связи
нуклонов в ядре. На рис. 12.3 изображена зависимость удельной энергии связи от массового числа A
.
Рис. 12.3
Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50–60 (от Cr до Zn). Для них уменьшается. Так для урана Такая зависимость, изображенная на рис. 12.3, делает энергетически возможными два процесса: 1) деление
тяжелых ядер на более легкие ядра; 2) слияние (синтез)
легких ядер в более тяжелые ядра. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерные реакции). Радиоактивность
Радиоактивностью
называется самопроизвольное превращение одних нестабильных атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц (Беккерель 1896). Радиоактивность
, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной
. Радиоактивность
ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной
. Виды радиоактивного излучения:
α–излучение
Отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Представляет собой поток ядер гелия; заряд α–частицы равен +2е,
а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия β–излучение
Отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у α–частиц. Представляет собой поток быстрых электронов. γ–излучение
Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью, при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны
Рис. 12.4
Закон радиоактивного распада
Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях: 1) постоянная распада не зависит от внешних условий; 2) число ядер, распадающихся за время dt,
пропорционально наличному количеству ядер. Эти предположения означают, что радиоактивный распад является статистическим процессом
и распад данного ядра является случайным событием, имеющим вероятностный характер.
Предположим, что в момент времени t
было N
радиоактивных ядер, а в момент времени t
+
dt
осталось N
–
dN
нераспавшихся ядер. Убыль числа ядер за время Можно считать, что число ядер, распадающихся за время
где
Формулировка основного закона радиоактивного распада
: число еще нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте
(см. рис. 12.5).
Здесь N –
число нераспавшихся ядер к моменту времени t
;
Рис. 12.5
Интенсивность радиоактивного распада характеризуют числом ядер, распадающихся в единицу времени
Ее измеряют в беккерелях
(Бк), 1 Бк = 1 распад/с; а также в кюри
(Ки), 1 Ки = 3.7 Период полураспада
Период полураспада
Подставляя Для известных в настоящее время радиоактивных ядер варьируется от Среднее время жизни радиоактивного ядра
Количество ядер, распавшихся за промежуток времени (t
,
Время жизни каждого из ядер равно t
. Следовательно, сумма времен жизни всех Для выполнения интегрирования перейдем к новой переменной
Сравнение числовым множителем, равным
|