ЧАСТЬ 5. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА
Ядерная физика
это раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер и их превращения: процессы радиоактивного распада и ядерные реакции.
§46 Состав и размеры ядер. Энергия связи ядер
46.1 Состав ядра
Ядро
это центральная часть атома, в которой сосредоточена практиче- ски вся масса атома и его положительный электрический заряд. В состав ядра входит два вида частиц:
протоны (
p
1 1
);
нейтроны (
n
1 0
).
Протон имеет положительный заряд, равный по величине заряду элек- трона: q = +e = 1,6·10
–19
Кл. Масса протона
p
m = 1,00728 а.е.м. ≈ 1,67·10
–27
кг.
Протон впервые получен Резерфордом в результате ядерной реакции:
O
He
N
17 8
1 1
4 2
14 7
p
Протон – стабильная частица, тенденции к распаду не имеет (период полурас- пада
T
1/2
= 10 30
c).
Нейтрон
не имеет заряда, т.е.
q
= 0. Масса нейтрона
n
m = 1,00866 а.е.м. ≈
1,67·10
–27
кг. Открыт в 1932 году Чедвиком* при осуществлении реакции:
C
He
Be
12 6
1 0
4 2
9 4
n
В свободном состоянии нейтрон испытывает радиоактивный распад с пе- риодом полураспада
T
1/2
=12,6 мин.
В ядерной физике считается, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной частицы, которая называется нуклоном. Протон – протонное состояние нуклона с зарядом +
е; нейтрон – нейтронное состояние нуклона с нулевым электрическим зарядом.
46.2 Характеристики атомного ядра
Основными характеристиками ядра являются его заряд и масса.
Зарядом
ядра называется величина
Z·e, где e – величина заряда протона, Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов Менделеева.
Порядковый номер
Z совпадает с числом протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с
Z от Z=1 до Z=107. Элементы с Z от 1 до 92, кроме Tc (техне- ция) с
Z = 43 и Рm (прометия) с Z=61, встречаются в природе, элементы с Z от
93 до 107 получены искусственным путем. Их называют трансурановыми эле- ментами. Pu (плутоний),
Z = 94, обнаружен в природе в очень незначительных количествах в природном минерале – смоляной обманке.
Элементы физики атомного ядра
112
Масса атомного ядра
практически совпадает с массой всего атома, так как масса электронов очень маленькая. Массы атомов измеряют в атомных единицах массы (обозначается а.е.м.): 1 а.е.м.=1,6605655·10
–27
кг.
А
массовое число ядра целое число, ближайшее к атомной массе, вы- раженной в а.е.м. Оно определяет число нуклонов, т.е. общее число протонов и нейтронов в ядре:
A = N + Z. Тогда число нейтронов
N = (A
Z).
(46.1)
Ядра обозначаются тем же символом, что и нейтральный атом:
X
A
Z
или
A
Z
X , где X
– символ химического элемента.
При измерениях масс атомов были обнаружены изотопы и изобары.
Изотопы
– ядра, имеющие одинаковый порядковый номер
Z, но разное массовое число А. Водород имеет 3 изотопа:
H
1 1
– протий,
H
2 1
– дейтерий, которые являются стабильными и H
3 1
– тритий, являющийся радиоактивным. Кислород имеет 3 изотопа: O
16 8
, O
17 8
, O
18 8
. В большинстве случаев изотопы обладают оди- наковыми физическими свойствами (исключение водород H), т.к. они определя- ются в основном структурой электронных оболочек, а она у изотопов одинакова.
В природе встречается 300 устойчивых изотопов химических элементов и имеется около 1000 искусственных (радиоактивных) изотопов.
Изобары
– ядра, имеющие одинаковое массовое число
А, но разный по- рядковый номер
Z. Например, изобары бериллия: Be
10 4
, B
10 5
, C
10 6
. Изобары в основном встречаются среди тяжелых ядер.
46.3 Размеры ядер
Ядро является системой частиц, подчиняющихся законам квантовой ме- ханики и, следовательно, соотношению неопределенностей Гейзенберга.
Вследствие этого размеры области, в которой могут находиться ядерные части- цы, могут быть заданы лишь с точностью, допускаемой этим соотношением. В первом приближении ядро считается шаром, радиус которого определяется эм- пирической формулой:
3 0
A
R
R
,
(46.2) где
A – массовое число,
Величина
R
0
= (1,3÷1,7)·10
–15
м может быть истолкована как пропорцио- нальность объема ядра числу нуклонов. В ядерной физике принята следующая единица измерения размеров: 10
–15
м = 1 Ф (ферми).
Объем ядра пропорционален числу нуклонов, т.е. плотность ядерного ве- щества примерно одинакова (10 17
кг/м
3
). Очень высокая плотность говорит об исключительно высокой интенсивности ядерного взаимодействия.
Элементы физики атомного ядра 113 46.4 Свойства ядерных силЯдерное взаимодействие между нуклонами называется сильным взаимо-действием. Его можно описать с помощью поля ядерных сил, которые не сво- дятся ни к одному из ранее рассмотренных типов сил. Отличительные особен- ности ядерных сил. 1. Ядерные силы – это силы притяжения. Они не имеют электрического проис- хождения, действуют на расстояниях 4,2 ферми, поэтому их называют ко- роткодействующими. 2. Ядерные силы являются зарядово независимыми, т.е. ядерное взаимодей- ствие двух нуклонов не зависит от того, обладают или нет электрическим за- рядом оба нуклона. 3. Ядерные силы не являются центральными. Они зависят не только от расстоя- ния между нуклонами, но от ориентации их спинов. 4. Для ядерных сил характерно насыщение. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями, причем не со всеми, даже если они находятся в радиусе действия сил. 5. Ядерные силы имеют обменный характер. Считается, что взаимодействие между двумя частицами осуществляется благодаря обмену третьей частицей. В 1935 году Юкава и Тамм обнаружили, что эти частицы имеют массу покоя m0 = 200 m0 э, m0 э – масса покоя электрона. Назвали эти частицы π-мезонами или пионами. 46.5 Дефект массы ядра. Энергия связиМасс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. яnpmmZAmZm (46.3) Величина m называется дефектом массы. В справочных таблицах при- водятся массы атомов, а не ядер, поэтому дефект массы выражают через массу атома. аnmmZAmZm H 1 1 (46.4) Всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, т.е. при образовании ядра должна выделяться определенная энергия. Для разде- ления ядра необходимо затратить такое же количество энергии, которое выде- ляется при его образовании. Энергия связи ядраЕсв – энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Энергия связи: 2 я 2 св cmmZAmZсmЕnp Или Элементы физики атомного ядра 114 2 H св 1 1 cmmZAmZЕan , (46.5) где с – скорость света. Если массы выразить в а.е.м., то энергия связи вычисляется по формуле: mE 5 , 931 св (МэВ), (46.6) так как одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии 1 а.е.э. = с 2 1 а.е.м. = 9·10 16 ·1,66·10 –27 = 1,491·10 –10 Дж = 931,5 МэВ. Удельная энергия связи уд – энергия связи, приходящаяся на один нук- лон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер. АЕсв уд (46.7) Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро. Зависимость удель- ной энергии связи от массового числа приведена на рис. 46.1. Для большинства элементов нуклонМэВ 8 уд Массовое число, A Уд ел ьн ая эн ер ги я св язи , Мэ В /ну кл он св0 80 160 240 2 4 6 8 H 1 2 He 2 3 Li 3 6 B 5 10 He 4 2 Kr 82 36 Pt 195 78 U 238 92 Рисунок 46.1 Наиболее устойчивыми являются ядра средней части таблицы. Легкие или тяжелые ядра менее устойчивы, т.е. энергетически выгодны следующие процессы: 1. Деление тяжелых ядер на более легкие (реакция деления). Реакции деле- ния лежат в основе работы ядерных реакторов и ядерной бомбы. 2. Слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые (требуют температу- ры Т10 8 K, поэтому их называют термоядерными). Происходят в недрах Солн-
Элементы физики атомного ядра
115
ца и звезд. Неуправляемые термоядерные реакции происходят при взрыве во- дородной бомбы.
Это объясняется тем, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реакции будет пре- вышать удельную энергию связи исходных ядер.
§47 Ядерные превращения
Существуют два типа ядерных превращений:
ядерные реакции;
радиоактивность.
47.1 Ядерные реакции
Ядерные реакции
– превращения атомных ядер при их взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами) или друг с другом.
Символически ядерные реакции записываются в следующем виде:
Y
X
или
Y
,
X
, (47.1) где X и Y – исходное и конечное ядра;
и – бомбардирующая и испускаемая в ядерной реакции частица.
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электриче- ских зарядов и массовых чисел:
Сумма зарядов ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна
сумме зарядов продуктов реакции (ядер и частиц
)
.
Сумма массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реак-
цию, равна сумме массовых чисел продуктов реакции (ядер и частиц)
.
Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции
Q
, равной разности энергий конечной и исходной пар в реакции:
2
c
m
m
Q
k
i
,
(47.2) где
i
m – сумма масс частиц до реакции;
k
m
– сумма масс частиц после реакции.
Если массы выразить в а.е.м., то энергия ядерной реакции вычисляется в МэВ
(мегаэлектрон-вольтах) по формуле:
k
i
m
m
Q
5
,
931
(47.3)
Ядерные реакции могут быть: a)
экзотермическими (с выделением тепла), при этом
k
i
m
m
(
Q
0); б) эндотермическими (с поглощением тепла), при этом
k
i
m
m
(
Q
0).
Элементы физики атомного ядра 116 47.2 Радиоактивность47.2.1 Общие сведения Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) распада ядер, при котором образуется новое ядро, и испускаются частицы. Ядро, испытывающее распад, называется материнским, возникающее яд- ро называется дочерним. Естественная радиоактивность наблюдается в основном у тяжелых ядер, которые располагаются в периодической системе Менделеева за свинцом. От- крыто явление Анри Беккерелем в 1896 году. В зависимости от того, какая частица испускается, различают следующие виды распада: 1. -распад – испускание α-частицы, т.е. ядер гелия – He 4 2 : Сущность процесса заключается в вылете из ядра двух протонов и двух нейтронов, связанных в -частицу. Rn He Ra 222 86 4 2 226 88 2. β -распад – испускание: а) электронов – e (β -распад) 0 1 3 1 eHe H 3 2 б) позитронов e (β -распад) Ne Na 22 10 0 1 22 11 eСущность β -распада заключается во взаимном превращении нейтронов и протонов. в) K-захват (электронный захват). Превращение протона в нейтрон идет по схеме nep1 0 0 1 1 1 Электронный захват заключается в том, что один из электронов на бли- жайшем к ядру K-слое атома захватывается ядром. Здесь и – электронные нейтрино и антинейтрино. 3. Гамма-излучение (γ-излучение) – это жесткое электромагнитное излучение с длиной волны λ<10 10 м. Обладает большой проникающей способностью, так как энергия квантов ε 10 4 эВ. При анализе результатов радиоактивных распадов опытным путем были открыты правила смещения (правила Фаянса и Содди). 1) при -распаде: He Y X 4 2 4 2 AZAZ-распад уменьшает массовое число на 4, а зарядовое на 2, т.е. дочерний элемент смещается на две клетки влево в таблице Д. И. Менделеева.
Элементы физики атомного ядра
117 2)
при β-распаде:
e
A
Z
A
Z
0 1
1
Y
X
β-распад не изменяет массового числа, зарядовое число увеличивает на единицу, т.е. дочерний элемент смещается на 1 клетку вправо.
47.2.2 Закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад уменьшает с течением времени число нераспавшихся ядер. Самопроизвольный распад ядер подчиняется закону радиоактивного распада:
t
e
N
N
0
,
(47.4) где
N
0
– число ядер в данном объеме вещества в момент времени
t
= 0;
N
– число ядер в том же объеме к моменту времени
t
;
– постоянная распада.
Постоянная распада
– это физическая величина, численно равная доле ядер, распадающихся за единицу времени:
dt
N
dN
(47.5)
[λ] = c
–1
Таким образом, постоянная распада определяет скорость радиоактивного распада.
Величина
/
1
называется
средней продолжительностью жизни
(среднее время жизни) радиоактивного изотопа.
Для оценки устойчивости ядер обычно используют не постоянную распа- да, а величину, которая называется периодом полураспада.
Период полураспада
(T
1/2
) – время, в течение кото- рого распадается половина первоначального количества ядер данного радиоактивного вещества (рис. 47.1). Пери- од полураспада может меняться в очень широких преде- лах (от долей секунд до тысяч лет). Период полураспада и постоянная распада связаны следующим соотношени- ем:
2
ln
2 1
T
(47.6)
Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях: 1) постоянная распада не зависит от внешних условий; 2) число ядер, распадающихся за время
dt
пропорционально начальному количеству ядер N
0
. Это означает, что закон радиоактивного распада является статистическим законом. Статистические за- коны можно применять только к большому количеству ядер. Закон радиоактив- ного распада не отвечает на вопрос, какое именно ядро распадется, т.к. все ядра
0
t
T
N
N
0
N
0
2
Рисунок 47.1
Элементы физики атомного ядра
118
неразличимы и распад данного ядра является случайным событием, имеющим ту или иную вероятность.
Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивных превраще- ний ядра в свою очередь оказываются радиоактивными. Новые продукты рас- пада также могут оказаться радиоактивными, т.е. возникает целый ряд радиоак- тивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда, родона- чальниками которых служат уран (
U
238 92
), торий (
Th
232 90
) и актиний (
Ac
235 89
). Ко- нечным продуктом во всех случаях служат изотопы свинца.
Для исследования радиоактивных изотопов обычно используют препара- ты. Препарат – это определенное количество радиоактивного вещества, специ- ально приготовленного для эксперимента, например, нанесенного на подложку или заключенного в оболочку.
Активность а препарата (радиоактивного источника
) – число распа- дов, происходящих за единицу времени:
dt
dN
a
(47.7)
беккерель
Бк
1
с расп
1
]
[
a
Для измерения активности допускается применение внесистемной едини- цы – кюри (Ки).
1 кюри
– активность препарата, в котором происходит 3,7·10 10
распадов в секунду.
1 Ки = 3,7·10 10
Бк.
Такой активностью обладает 1 г радия.
Активность препарата равна произведению постоянной распада
на чис- ло N нераспавшихся атомов, содержащихся в этом препарате:
N
a
(47.8)
Знак «
» означает, что активность с течением времени уменьшается.
Заменив N по формуле (47.4), получим закон изменения активности:
t
e
a
a
0
,
(47.9) где а
0
– активность в момент времени t = 0.
Удельная активность а
уд
– активность, отнесенная к единице массы вещества.
m
a
a
уд
(47.10) кг
Бк
1
]
[
уд
a
47.3 Гамма-излучение
Гамма-лучи (γ-лучи) представляют собой коротковолновое электромаг- нитное излучение. Так как γ-излучение обладает весьма малой длиной волны
Элементы физики атомного ядра 119 ( 10 10 м), то, вследствие этого, оно имеет ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть является потоком частиц – гамма-квантов. Испускание γ-квантов не является, как правило, самостоятельным видом излучения. Оно сопровождает - и -распады. Различают: мягкое γ-излучение с энергией квантов ε кэВ; жесткое γ-излучение с энергией квантов ε МэВ. γ-излучение может взаимодействовать с электронной оболочкой атомов и молекул, вызывая их ионизацию, а также с ядрами. При прохождении γ-лучей через вещество происходит их ослабление. За- кон изменения интенсивности γ-излучения подчиняется закону: xeII 0 , (47.12) где I0 – интенсивность γ-излучения, падающего на поверхность вещества; μ – коэффициент линейного ослабления γ-лучей в веществе, зависящий от природы вещества и спектрального состава потока γ-излучения; х – толщина поглощающего слоя. γ-излучение может вызывать в веществе различные процессы: 1) фотоэффект (существенное значение имеет для мягкого излучения, ε 10 4 –10 5 эВ); 2) эффект Комптона (ε 0,5 МэВ); 3) рождение электронно-позитронных пар: ee0 1 0 1 Большая энергия γ-квантов объясняет их высокую проникающую способ- ность, поэтому γ-излучение применяют в следующих областях. 1. γ-дефектоскопия – метод обнаружения дефектов в изделии путем просвечи- вания их γ-лучами. Повреждения обнаруживаются по различной интенсивно- сти γ-лучей, прошедших через исследуемую поверхность. Так исследуют размеры и формы дефектов (трещины, раковины, непроваренные швы и т.д.). 2. Медицина (онкология) – лечение злокачественных опухолей. § 48 Элементы дозиметрии ионизирующих излучений Об опасности, возникающей при работе с радиоактивными веществами, рентгеновским излучением и другими источниками ионизирующих излучений известно давно. Первоначально развитие дозиметрии определялось главным образом необходимостью защиты от воздействия рентгеновского и γ-излучения естественных радиоактивных веществ. Защита человека от вредного действия ионизирующих излучений сводится к защите от внешних потоков излучения (внешнее облучение) и от попадания радиоактивных веществ внутрь организма (внутреннее облучение). В настоящее время под дозиметрией понимают измерения, исследования и теоретические расчеты тех характеристик ионизирующих излучений, от кото- Элементы физики атомного ядра 120 рых зависят радиационные эффекты в облучаемых объектах живой и неживой природы. Радиационный контроль и измерение доз осуществляется дозиметриче- скими приборами. Дозиметрические приборы (дозиметры) – это устройства для измерения доз ионизирующих излучений и их мощностей. Основными ча- стями дозиметрических приборов являются детектор и измерительное устрой- ство. В зависимости от типа детектора дозиметры делятся на: ионизационные (с ионизационной камерой, пропорциональными счетчиками или счетчиками Гейгера); радиолюминесцентные (сцинтилляционные, термо- и фотолюми- несцентные); полупроводниковые; фотографические; химические; кало- риметрические. Характеристики ионизирующих излучений Характеристика и ее обозначение Определение Единица изме- рения в СИ Внесистемная единица измере- ния Поглощённая доза, D mWD Отношение энергии ио- низирующего излуче- ния, поглощённой веще- ством, к массе этого ве- щества Грей (Гр) 1 Гр=100 рад рад 1 рад=0,01 Гр Мощность по- глощенной дозы, N tDN Энергия ионизирующего излучения, поглощённая 1 кг вещества за едини- цу времени Гр/с 1 Гр/с =100 рад/с рад/с 1 рад/с=0,01 Гр/с Экспозиционная доза излучения. DЭmqDNiiÝ 1 Отношение суммарного заряда всех ионов одно- го знака Niiq1 , создан- ных в единице объема воздуха, к массе воздуха m в этом объеме Кл/кг 1 Кл/кг = 3,86 10 3 Р Рентген (Р) 1 Р = 2,58 10 Кл/кг Эквивалентная доза, H KDH Произведение погло- щённой дозы на коэф- фициент качества излу- чения Зиверт (Зв) 1 Зв = 100 бэр 1 Зв= К1 Гр Бэр 1 бэр=0,01 Зв 1 бэр= К1 рад Мощность экви- валентной дозы tDNЭЭ Эквивалентная доза, по- глощенная за единицу времени Зв/с 1 мкЗв/с = 100 мкР/с мкР/ч 1 мкР/ч = 0,01 мкЗв/ч | 
Скачать 1.36 Mb.