курс физики том 4. Курс физики ТОМ 4. Т. В. Стоянова, на. Тупицкая, Ю. И. Кузьмин курс физики том 4 квантовая механика. Физика твёрдого тела. Атомная и ядерная физика учебник санкт петербург 2014 удк 539. 1 530. 145(075. 8)
 Скачать 2.93 Mb.
|
5.1 Строение ядра 5.1.1 Характеристики нуклонов и свойства ядра Вначале столетия интенсивно начала развиваться наука о строении атома и теория строения атомного ядра. По современным представлениям, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Для обозначения атомных ядер применяется символ Х. Под Х подразумевается химический символ данного элемента, Z - число протонов или порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Сумму числа протонов и числа нейтронов N называют массовым числом и обозначают A это целая часть атомной массы чистых изотопов. A = Z + N. Число нейтронов (N) в ядре любого атома можно определить как разность между массовым числом и порядковым номером элемента N = A - Z. Протон 1 1 p - тяжелая, положительно заряженная частица, представляющая собой нечто иное, как ядро атома водорода. Масса протона равна m p = 1,00759 а.е.м. 3 Отношение массы протона к массе электрона 1838, Протон имеет спин, равный 1 , и собственный магнитный момент Б р 79 , 2 , где Б - магнетон Бора. Протон способен превращаться в нейтрон с испусканием позитрона и электронного нейтрино e 0 0 : e e n p 0 0 0 1 1 0 1 Нейтрон n 1 0 - тяжелая элементарная частица, лишенная электрического заряда (последние исследования показали, что нейтрон имеет сложную структуру в центре нейтрона имеется положительный заряд, окруженный отрицательным зарядом, за которым следует положительно заряженный хвост, суммарный электрический заряд нейтрона равен нулю. Масса нейтрона равна 1,00898 а.е.м.. Отношение массы нейтрона к массе электрона е Атомная единица массы (а.е.м.) =1,66 10 -27 кг. Спин нейтрона равен - 2 1 , а величина магнитного момента враз больше величины магнетона Бора (ядерного магнетона. Нейтрон является нестабильной частицей, период его полураспада равен 11,7 мин. Нейтрон способен превращаться в протон с испусканием электрона и электронное антинейтрино Атомные ядра, имеющие одинаковый заряд, но различную массу, называются изотопами. В настоящее время известно около 1500 изотопов. Даже один и тот же элемент может иметь несколько изотопов, например, ран имеет изотопы U 235 , U 234 , U 238 и U 239 , водород имеет изотопы Н, Ни Н 3 Ядра с одинаковыми массовым числом А называются изобарами Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотонов. Ядра с одинаковыми А, отличающиеся периодом полураспада, называются изомерами Размеры атомных ядер определяются в экспериментах по рассеянию на ядрах быстрых частиц (протонов, - частиц, нейтронов. Исследования, проведенные различными методами, показывают, что если принять ядра атомов примерно сферическими по форме, то объем ядер пропорционален массовому числу ядра A: я 10 14 7 м 3 Следовательно, объем ядра пропорционален суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Итак, в первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой: Ф A м A r 3 1 3 1 15 4 , 1 10 Ф – ферми – название применяемой в физике единицы длины, равной 10 -15 м. Так как плотность определяется отношением массы к объёму, а масса ядра определяется массовым числом А, то плотность ядерного вещества 3 где r – радиус ядра. Тогда 17 3 15 27 3 15 3 3 1 10 72 , 2 ) 10 4 , 1 ( 3 4 10 67 , 1 ) 10 4 , 1 ( 3 4 A A кг/м 3 Плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова. Площади геометрических сечений, равные я, для большинства ядер близки к 10 -28 м 2 Поэтому в ядерной физике величинам принята для измерения сечений и называется - барн 5.1.2 Дефект массы. Энергия связи ядра Устойчивость атомных ядер свидетельствует о том, что между частицами, составляющими ядро, действуют ядерные силы, асами частицы в ядре обладают определенной энергией связи. Для того, чтобы разделить ядро атома на составляющие его нуклоны, необходимо затратить энергию. С другой стороны, энергия эквивалентна массе согласно известному соотношению Эйнштейна 2 c m E . Масса стабильного ядра М я всегда отличается от суммы масс входящих в него нуклонов. Разность m между суммой масс нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра называется дефектом массы ядра я, где m p и m n - массы покоя протона и нейтрона соответственно М я -масса ядра (А - Z) - число нейтронов в ядре. Так, например, дефекты масс атома водорода соответственно равен наем. Отношение дефекта массы к массовому числу называется коэффициентом упаковки. р где выражено в а.е.м.. Зависимость коэффициента упаковки от атомного номера представлена на рис. 5.1. Кривая 1 характеризует дефекты масс в зависимости от массового числа. Пользоваться этой кривой неудобно в силу большой ошибки, поэтому приводится кривая коэффициента упаковки р кривая 2), который определяется как дефект масс, рассчитанный на одну ядерную частицу. Здесь ошибка для всех масс одинакова. Из кривой 2 следует, что коэффициент упаковки сначала быстро убывает, переходя через нуль у кислорода, далее становится отрицательными мало отличается от величины - 0,001. Масса любого атома может быть выражена через массовое число и коэффициент упаковки следующим образом M = A ∙ (1 + p). Из этой формулы следует, что при убывании р в области малых Аи возрастании при больших А для легких ядер энергетически выгоден процесс синтеза (слияния, а для тяжелых ядер — процесс разделения на части. Оба эти процесса используются для получения энергии. Дефект массы в более широком смысле слова — это убыль массы, вызываемая выделением энергии при возрастании прочности связи между частицами. Рис. 5.1 Если известен дефект масс ядра, то легко определить энергию связи нуклонов в ядре св. (5.1) Энергия связи это минимальная энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нейтроны и протоны. В ядерной физике для вычисления энергий применяется атомная единица энергии (а.е.м Е .), соответствующая одной атомной единице массы (а.е.м.): 1 a.e.м Е = c 2 1 а.е.м. = 1,49 10 -19 Дж = 931 МэВ. Учитывая это, формулу (5.1) можно переписать так 2 ] ) ( [ 931 c M m Z A m Z Е я n p св Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре А Е E св уд св Удельная энергия связи нуклонов в ядре характеризует энергетическую устойчивость (прочность) ядер. На рис. 5.2 приведена кривая зависимости уд св E от A. Из графика видно, что вначале удельная энергия связи уд св E растет по мере увеличения А, потом постепенно уменьшается. Средняя энергия связи нуклона Не 2 ( уд св E ≈ 7 МэВ) значительно превосходит кулоновскую энергию взаимного отталкивания двух протонов этого же ядра, которая по порядку величины оценивается примерно в 1 МэВ. Наибольшей устойчивостью, те. наибольшей энергией связи, отличаются ядра, у которых число протонов и число нейтронов одинаково, те. Особенно велика энергия связи у Не СО и других четно-четных ядер (ядер счетным числом протонов и четным числом нейтронов. Это обстоятельство указывает на особую прочность системы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При исследовании замечено, что наиболее устойчивыми являются ядра с числом нуклонов 2, 8, 20, 50, 82 и 126. При значительных отступлениях от приведенного соотношения ядра оказываются неустойчивыми. Чем тяжелее ядро, тем большая доля энергии определяется отталкиванием протонов и тем сильнее обнаруживается его тенденция к делению. Особенно четко это сказывается при большом отступлении от равенства чисел разноименных нуклонов (когда в ядре число нейтронов значительно больше числа протонов вследствие большого заряда ядра становятся неустойчивыми в отношении - распада. Рис. 5.2 5.1.3 Ядерные силы При изучении внутриядерных процессов было установлено, что природа взаимодействия внутриядерных частиц не может быть ни электрической, ни магнитной, ни гравитационной. Эти силы не могут быть электрическими, потому что они проявляются не только между заряженными, но и между нейтральными частицами. Эти силы не могут быть также магнитными, поскольку магнитное взаимодействие между магнитными моментами нуклонов слишком незначительно. Эти силы не могут быть и гравитационными, ибо они чрезвычайно слабы. К настоящему времени накопились данные о характере взаимодействия ядерных сил. 1. Ядерные силы — это силы притяжения. 2. Ядерные силы относятся к короткодействующим силам их радиус действия а 10 -15 м. С увеличением расстояния ядерные силы резко убывают. 3. Ядерное взаимодействие является самым сильным взаимодействием в природе. Средняя энергия связи нуклонов в ядре имеет порядок 8 МэВ, она в восемь раз больше энергии кулоновского отталкивания двух протонов ядра. 4. Ядерные силы не являются центральными — их взаимодействие определяется не только расстоянием между частицами, но и расположением относительно направления спинов. 5. Имеется зарядовая независимость ядерных сил, те. тождественность элементарных взаимодействий двух любых нуклонов. 6. Ядерные силы обладают обменным характером. 7. Ядерные силы зависят от скорости нуклонов. Ядерные силы самые мощные силы из всех имеющихся в природе. Взаимодействие ядерных частиц часто называют сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются мезонами. Виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Мезоны (греческое «мезос» означает средний) – или - мезоны бывают положительными, отрицательными и нейтральными. Заряд положительных и отрицательных - мезонов равен заряду электрона, а масса равна 273 массы электрона. Спин мезонов равен нулю. Время жизни положительных и отрицательных мезонов – с, нейтрального - с. В результате виртуальных процессов нуклон оказывается окружённым облаком виртуальных - мезонов, образующих поле ядерных сил. Протон, испуская + - мезон, превращается в нейтрон. Нейтрон, поглощая мезон, превращается в протон. И обратно. Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть в нейтральном. Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе мезона, то виртуальный мезон может стать реальным. Были указаны только некоторые свойства ядерных сил. Законченной теории пока не существует из-за очень сложного характера ядерного взaимoдeйcтвия. Более подробно о ядерных силах говорится ниже в п. 6.3. 5.2 Явления естественной радиоактивности 5.2.1 Основные характеристики радиоактивного излучения Явление естественной радиоактивности заключается в самопроизвольных превращениях одних атомов в другие, сопровождаемых испусканием радиоактивных лучей. В 1896 году Беккерель, исследуя уран и его соединения, обнаружил, что они испускают невидимые лучи, которые, проходя через тела, непрозрачные для видимого света, вызывают почернение фотопластинки. В 1898 году Пьер Кюрии Мария Кюри-Склодовская открыли два новых элемента, испускавшие такие же лучи, нос интенсивностью, во много з превосходящей интенсивность урановых лучей. Один из этих элементов был назван радием - его активность была в миллион аз больше активности урана, вторым по активности элементом был полоний. При исследовании было выяснено, что поток лучей, испускаемых радиоактивными телами, состоит из трех видов лучей, названных -, - и - лучами (рис. 5.3): - лучи характеризуются малой проникающей способностью и сильным ионизирующим действием. Масса - частиц в 4 раза больше массыатома водорода. Заряд положительный, ваз больше заряда электрона. По своей природе - лучи представляют собой поток ядер гелия - лучи обладают большей проникающей способностью и меньшим ионизирующим действием они представляют собой поток электронов, летящих со скоростями, иногда достигающими 0,99 скорости света - лучи обладают наивысшей проникающей способностью и наименьшим ионизирующим действием они представляют собой электромагнитное излучение, те. поток фотонов высокой энергии. Таким образом, физическая природа радиоактивных частиц в настоящее время хорошо известна, однако в ядерной физике сохраняются названия, данные этим частицам в самом начале изучения явления радиоактивности. Радиоактивные излучения и, прежде всего, потоки - частиц, были использованы Резерфордом для выяснения внутренней структуры атомов. Правила смещения позволяют определить, какой новый элемент возникает в результате данного - или - распада. При распаде ядро теряет положительный заряда масса его убывает на 4 атомных единицы массы В результате элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы. Если - распад претерпевает элемент Х, тов результате получается элемент Y: He Y X A Z A Z 4 2 4 2 , Рис. 5.3 В Rа фотопластинка Pb например, He Th U 4 2 234 90 238 92 , где U - уран, Th - торий. Альфа распад является свойством тяжёлых ядер с массовыми числами Аи зарядовыми Z > 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных - частиц, подверженных большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Этому способствует насыщение ядерных сил. Ядро является для - частицы потенциальным барьером высота которого больше, чем величина энергии частицы. Аль- фа-распад возможен за счёт туннельного эффекта, то есть прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Было замечено, что чем больше постоянная распада радиоактивного элемента, тем больше пробег в воздухе испускаемых им частиц. Экспериментально доказано, что у одного итого же радиоактивного элемента имеется несколько групп - частиц с различными длинами пробегов. Внутри каждой группы наблюдается постоянство пробегов. Исходя из этого, был сделан вывод, что так как выбрасываемые из ядер - частицы обладают определённым энергетическим спектром то, следовательно, атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями. Теория - распада была создана в 1934 году Э. Ферми по аналогии с квантовой электродинамикой, согласно которой процесс испускания и поглощения фотонов рассматривается как результат взаимодействия заряда с окружающим его электромагнитным полем. Фотонов нет в атоме в готовом виде. Они возникают в самый момент их испускания. Их источником является заряд. При - распаде из ядра вылетает электрон. Он символически изображается е 1 , т. к. масса его очень мала. Электрон и электронное антинейтрино не существуют в атомных ядрах, а образуются в момент вылета из ядра в результате слабого взаимодействия между нуклонами ядра (взаимодействие лептонов (мюонов) с ядрами. Источниками легких частиц являются нуклоны. После - распада элемент смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева 0 После - распада вылетает позитроне и электронное нейтрино, элемент смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева e Y X A Z A Z 0 Например 0 1 234 91 234 90 e Pa Th , e C N 0 1 13 6 13 7 В случае электронного захвата протон, превращаясь в нейтрон, как бы захватывает один из электронов с ближайшего к ядру К-слоя атома. Особенностью этого типа реакции является вылет из ядра только одной частицы - электронного нейтрино е При - излучении заряд не меняется, масса ядра меняется ничтожно мало- излучение возникает при переходе ядер из возбуждённого состояния в основное или в менее возбуждённое состояние или при ядерных реакциях - излучение является жёстким электромагнитным излучением, энергия которого равна Величина ik W - имеет порядок 0,1 МэВ и значительно превышает разность энергий электронных уровней в атоме. - излучение имеет длину примерно нм и сопровождает - и - распады, не являясь самостоятельным типом радиоактивности. Установлено, что - излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается возбуждённым, нас. В таблице 5.1 показано, какие значения будет принимать массовое Аи зарядовое число Z после соответствующего радиоактивного превращения. Таблица 5.1 Тип радиоактивности Заряд ядра Массовое число Характер процесса Альфа - распад Z-2 A-4 Вылет из ядра -частицы Бета-распад: - распад - распад электронный захват Z±1 Z+1 Z-1 Z-1 А A A А Взаимное превращение нейтрона и протона ) ( e e p n ) ( e e n p ) ( e n е p Спонтанное деление А А Деление ядра на два осколка Протонная радиоактивность А Вылет из ядра протона Дальнейшее исследование радиоактивности развивалось сразу вне- скольких направлениях. Прежде всего, были изучены радиоактивные превращения ядер, протекающие в природе. Было показано, что при - распаде ядра урана образуется новое ядро с меньшей атомной массой и меньшим атомным номером. Было также показано, что распады ядер, сопровождающиеся эмиссией - частиц, не приводят к изменению атомной массы, но новое ядро обладает большим атомным номером. Цепочка следующих друг за другом распадов ядер урана, включающих серию - и - распадов, заканчивается стабильным атомом (свинцом. Таким образом, удалось показать, что за счет радиоактивных явлений, которые идут в природных условиях, осуществляется взаимное превращение химических элементов. Следующим важным результатом исследований было открытие ядерных реакций, возникающих при взаимодействии быстрой - частицы с ядром атома азота (Резерфорд, 1919 г. Ядро атома азота поглощало - частицу и, затем, составное ядро распадалось, выбрасывая протон, превращаясь в изотоп кислорода. Тем самым было показано, что превращение химических элементов можно вызвать искусственно. Среди исследований этого периода на особом месте стоит открытие нейтрона (Чедвик, 1932 г. Нейтрон был обнаружен как продукт ядерной реакции, вызванной взаимодействием быстрой частицы и ядра атома бериллия. Сразу же после открытия нейтрона, потоки этих частиц были использованы для воздействия на ядра химических элементов. Уже через два года после открытия нейтрона было сделано важнейшее открытие - обнаружен процесс захвата нейтрона ядром атома урана и последующее за этим деление ядра на две примерно одинаковые по массе части. Вскоре за этим было показано, что в результате деления ядра урана образуются новые (вторичные) нейтроны в количестве, превышающем число первичных нейтронов. Вторичные нейтроны, в свою очередь, могут быть использованы для деления ядер. Таким образом, уже к концу 1938 г. стало ясно, что ядерными процессами можно управлять, итак как вторичных нейтронов образуется больше, чем первичных, то становится возможным осуществление самоподдерживающихся цепных реакций и на этой основе получение энергии. В настоящее время управляемые цепные реакции деления ядер урана реализованы в промышленном масштабе на атомных электростанциях. Ядерная энергетика имеет большое значение для человечества, так как запасы химического топлива (угля, нефти, газа) весьма ограничены. Ядерные излучения используются для получения энергии, при поисках месторождений радиоактивных руд, определении геологического возраста горных пород, при каротаже разведочных скважин, в медицине- для лечения злокачественных опухолей ив целях диагностики, для стерилизации продуктов питания, предпосевной стимуляции семян и зерна, в датчиках пожарной сигнализации, в криминалистике и искусствоведении и др. Таким образом, явление радиоактивности имеет многочисленные и важные практические применения и каждый инженер должен быть знаком с основами ядерной физики. |