Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания

• Название: Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
• Анкор: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль
• Дата: 02.10.2019
• Размер: 4.41 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ).doc
• Тип: Конспект; #88257
• страница: 46 из 49

25.2. Энергия связи

Наличие между нуклонами особого ядерного взаимодействия, имеющего характер сил притяжения, вытекает из того, что ядра, содержащие положительно заряженные протоны и нейтроны, лишенные заряда, представляют собой устойчивые образования.

Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах существует определенная связь. Изучение этой связи может быть проведено в известных пределах энергетическими методами без привлечения сведений о характере и свойствах ядерных сил. Такой подход, основанный на законе сохранения энергии, позволяет сделать ряд важных выводов о специфике связей, удерживающих нуклоны в ядре друг возле друга. Введем понятие об энергии связи отдельного нуклона в ядре. Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии. Полная энергия связи ядра соответственно определяется той работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться та же энергия, которую необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его частицы. Очевидно, что энергией связи атомного ядра можно назвать разность между суммарной энергией свободных нуклонов, составляющих данное ядро, и их энергией в ядре.

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании из них ядра можно объяснить выделением энергии связи при образовании ядра; данное уменьшение, называемое дефектом массы, равно

,

где W_св – энергия, выделяющаяся при образовании ядра, c – скорость света в вакууме.

Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой m_p и из A – Z нейтронов с массой m_n, то

.

Величина m служит мерой энергии связи:

.

В ядерной физике для вычисления энергий применяется специальная единица – атомная единица энергии (а. е. э.), соответствующая одной атомной единице массы:

1 а. е. э. = с²1 а. е. м. =931,5016 МэВ,

так как 1 МэВ = 1,60210^–13 Дж.

Таким образом, для получения энергии связи W_св ядра в МэВ необходимо разность суммарной массы частиц в ядре и массы ядра (в а. е. м.) умножить на 931,5016.

Среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон (удельную энергию связи), можно рассчитать по формуле

.

На рисунке приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа А. Кривая указывает на различие величины w_св у разных ядер, т. е. на различие прочности связей нуклонов в ядрах в зависимости от массового числа. Наиболее прочно связанными являются нуклоны в ядрах средней части периодической системы Менделеева, приблизительно при 28<A<138, т. е. от кремния до бария . В этих ядрах удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ. По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Для ядер, расположенных в конце периодической системы (например, для урана), w_св = 7,6 МэВ. Этот факт объясняет выделение энергии при делении тяжелых ядер. Минимумы для энергии связи на один нуклон наблюдаются при небольших массовых числах.

25.3. Ядерные силы

Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых, так называемых ядерных сил. Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной – она будет в 10³⁸ раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона. Между тем такое ядро существует у тяжелого водорода – дейтерия . Это ядро – дейтрон – устойчивая система, состоящая из протона и нейтрона, с энергией связи около 2,2 МэВ.

Наконец, ядерные силы не могут быть и магнитного происхождения, несмотря на то, что и протон и нейтрон имеют магнитные моменты. Можно подсчитать, что энергия взаимодействия магнитных моментов протона и нейтрона составляет всего около 0,1 МэВ, что не идет ни в какое сравнение с действительной энергией связи в дейтроне.

Теоретические расчеты и опыты по рассеянию протонов на протонах показывают, что ядерные силы притяжения действуют лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре (2,210^–15 м). Это дало основание называть ядерные силы короткодействующими. Расстояние 2,210^–15 м называется радиусом действия ядерных сил.

Особое значение для свойств ядерных сил имеет обнаруженная в них зарядовая независимость: ядерные силы притяжения, действующие между двумя нуклонами, одинаковы независимо от того, в каком зарядовом состоянии, протонном или нуклонном, находятся взаимодействующие частицы. Но ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих между собой нуклонов.

Для ядерных сил характерна насыщенность, проявляющаяся в том, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседей-нуклонов. Насыщенность ядерных сил обнаруживает известное сходство этих сил с химическими силами, обладающими характерной для них особенностью – каждый атом в зависимости от своей валентности способен вступать в связь с ограниченным числом других атомов.

Наконец, необходимо отметить, что ядерные силы не являются центральными силами, т. е. такими, которые можно представить действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Ядерные частицы – нуклоны – являются источниками особого ядерного поля, характеризующего ядерные силы. Ядерное поле следует определить как особую форму материи, обусловливающую ядерные взаимодействия нуклонов. Квантами ядерного поля являются особые частицы – -мезоны. В названии этих частиц подчеркивается, что масса их должна быть промежуточной между массами электрона и протона («мезо» – средний, промежуточный).

Ядерные силы имеют характер обменных сил. Другими словами, взаимодействие между двумя нуклонами в ядре осуществляется путем обмена третьей частицей – -мезоном.

25.4. Радиоактивные излучения

Явлением естественной радиоактивности называется самопроизвольное превращение, одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием особого вида излучения – радиоактивного излучения и некоторых элементарных частиц. Вещества, испускающие новые излучения, называются радиоактивными.

Излучение, испускаемое радиоактивными элементами, неоднородно – оно состоит из трех видов: ,  и . Анализ состава излучения был произведен по отклонению радиоактивных излучений в магнитном поле. На рисунке изображена схема разделения -, -и -лучей в магнитном поле, направленном перпендикулярно плоскости рисунка (1 – толстостенный сосуд из свинца, 2 – радиоактивный элемент Ra). Характер отклонения лучей в магнитном поле показывает, что -лучи несут положительный заряд, -лучи – отрицательный, а -лучи не заряжены.

Дальнейшие исследования показали, что -лучи представляют собой поток ядер гелия. Эти лучи вызывают почернение фотопластинок, производят сильное ионизирующее действие при прохождении через газы и обладают относительно малой проникающей способностью.

-лучи по своей природе оказались потоком быстро летящих электронов, скорость которых превышает скорости обычных катодных (электронных) лучей. Энергия -частиц может достигать 10 МэВ, что соответствует их скорости, приближающейся к скорости света в вакууме.

Гамма-лучи представляют собой жесткое электромагнитное излучение, обладающее наибольшей из всех радиоактивных излучений проникающей способностью. Они вызывают относительно слабую ионизацию вещества, через которое они проходят. Также было установлено, что они отличаются еще большими частотами, чем рентгеновские излучения. Это означает, что их квантовые свойства проявляются еще в большей степени, чем у рентгеновского излучения.

Опытным путем было установлено, что все радиоактивные излучения:

а) в той или иной степени обладают химическими действиями, в частности вызывают почернение фотопластинок;

б) вызывают ионизацию газов, а иногда и конденсированных тел, сквозь которые они проходят;

в) возбуждают флуоресцентное свечение ряда твердых тел и жидкостей.

Эти свойства лежат в основе экспериментальных методов обнаружения и исследования свойств радиоактивных излучений. Калориметрические исследования показали, что радиоактивные излучения могут сопровождаться выделением энергии.

25.5. Закон радиоактивного распада

При изучении явления радиоактивности оказалось, что протекание радиоактивных процессов во времени совершенно не зависит от внешних условий, а также от концентрации радиоактивных атомов. Наконец, было установлено, что распад, например, радия в солях RaCl₂ и RaBr₂ зависит лишь от числа атомов радия в этих соединениях, т. е. скорость процесса не зависит от того, распадается ли вещество в виде химически чистого элемента или соединения.

Перечисленные факты привели к выводу, что радиоактивные превращения есть свойство атомных ядер, которые могут самопроизвольно подвергаться таким превращениям.

Естественные радиоактивные превращения ядер, происходящие самопроизвольно, называют радиоактивным распадом или просто распадом. Атомное ядро, претерпевающее радиоактивный распад, называется материнским. Ядро, возникшее в результате распада, называется дочерним ядром. Ввиду самопроизвольности этого процесса естественно предположить, что число ядер N, распадающихся за интервал времени от t до t + t, пропорционально промежутку времени t и числу N наличных ядер, еще не распавшихся к моменту времени t:

.

Здесь  – постоянная величина, которую называют постоянной распада или радиоактивной постоянной. Из последнего соотношения следует, что постоянная распада представляет собой относительную убыль числа ядер, подвергающихся распаду, за единицу времени.

Иными словами, постоянная распада характеризует долю ядер, распадающихся за единицу времени, т. е. определяет скорость радиоактивного распада. Ввиду самопроизвольного характера процесса распада  не зависит от внешних условий, а определяется лишь внутренними свойствами ядра,

Если в начальный момент t = 0 первоначальное число ядер равно N₀, то в момент времени t число оставшихся радиоактивных атомов

.

Данное выражение называется законом радиоактивного распада.

Самопроизвольный характер радиоактивного распада означает, что различные атомные ядра, претерпевающие распад, имеют разную продолжительность жизни. Средняя продолжительность жизни всех первоначально существовавших ядер равна .

Постоянная распада , выражаемая в с^–1 является обратной величиной средней продолжительности жизни  данного радиоактивного элемента.

Поэтому закон радиоактивного распада можно записать в виде

.

Практически для характеристики устойчивости ядер относительно распада, для оценки продолжительности жизни данного радиоактивного изотопа вводится понятие о периоде полураспада Т. Так называется время, в течение которого первоначальное количество ядер данного вещества распадается наполовину. Из определения Т и последней формулы следует, что . Отсюда получаем

.

Период полураспада постоянен для данного изотопа. Периоды полураспада различных радиоактивных изотопов изменяются в очень широких пределах: от 4,56 млрд лет у урана до 1,510^–4 с у изотопа полония. Постоянство периода полураспада данных атомов изотопа подтверждает статистический характер радиоактивных превращений.