ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА. ВЛАСТИВОСТІ Й БУДОВА АТОМНИХ ЯДЕР

§1 Заряд і маса, атомних ядер

Найважливішими характеристиками ядра є його заряд і маса М.

Z- заряд ядра визначається кількістю позитивних елементарних зарядів зосереджених у ядрі. Носієм позитивного елементарного заряду р = 1,6021·10-19 Кл в ядре є протон Атом у цілому нейтральний і заряд ядра визначає одночасне число електронів в атомі. Розподіл електронів в атомі по енергетичних оболонках і підоболонках суттєво залежить від їхнього загального числа в атомі. Тому заряд ядра значною мірою визначає розподіл електронів по їхніх станах в атомі й положення елемента в періодичній системі Менделєєва. Заряд ядра рівний  qя = z·e, где  z - зарядове число ядра, рівне порядковому номеру елемента в системі Менделєєва. Маса атомного ядра практично збігається з масою атома, тому що маса електронів усіх атомів, крім водневого, становить приблизно 2,5· 10-4 маси атомів. Масу атомів виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.).  За а.о.м. прийнято1/12 маса атома вуглецю  .

1 ае.м. =1,6605655(86)·10-27 кг.

mя = ma - Z me.

Ізотопами, називаються різновиди атомів даного хімічного елемента, що володіють однаковим зарядом, але, що різниться масою.

Ціле число найближче до атомної маси, вираженої в а.о.м. називається масовим числом і позначається буквою А. Позначення хімічного елемента: А - масове число, X - символ хімічного елемента, Z -зарядове число - порядковий номер у таблиці Менделєєва ():

Берилій ; Ізотопи:  , ', .

 

 

 

 

 

 

Радіус ядра:

де А - масове число.

§2 Сполука ядра

Ядро атома водню  називається протоном

mпротона = 1,00783 а.е.м. , .

           

Схема атома водню

В 1932 р. була відкрита частка названа нейтроном, що володіє масою близької до маси протона (mнейтрона = 1,00867 а.о.м.), що й не має електричного заряду. Тоді ж Д.Д. Іваненко сформулював гіпотезу про протонно- нейтроном будові ядра: ядро складається із протонів і нейтронів і їх сума дорівнює масовому числу А. 3арядовое число Z визначає число протонів у ядрі, число нейтронів N =А – Z.

Елементарні частки - протони й нейтрони, що входять до складу ядра, одержали загальну назву нуклонів. Нуклони ядер перебувають у станах, що суттєво відрізняються від їхніх вільних станів. Між нуклонами здійснюється особлива ядерна взаємодія. Говорять, що нуклон може перебуває у дві «зарядових станах» - протонному із зарядом +е, і нейтронному із зарядом 0.

§3 Енергія зв'язку ядра. Дефект маси. Ядерні сили

Ядерні частки - протони й нейтрони - міцно втримуються усередині ядра, тому між ними діють дуже більші сили притягання, здатні протистояти величезним силам відштовхування між однойменно зарядженими протонами. Ці особливі сили, що виникають на малих відстанях між нуклонамм, називаються ядерними силами. Ядерні сили не є електростатичними (кулоновскими).

Вивчення ядра показало, що діючі між нуклонами ядерні сили мають наступні особливості:

а) це сили короткодействующие -, що проявляється на відстанях порядку 10-15 м і різко убутні навіть при незначному збільшення відстані;

б)         ядерні сили не залежать від того, чи має частка (нуклон) заряд - зарядова незалежність ядерних сил. Ядерні сили, що діють між нейтроном і протоном, між двома нейтронами, між двома протонами рівні. Протон і нейтрон стосовно ядерних сил однакові.

Енергія зв'язку є заходом стійкості атомного ядра. Енергія зв'язку ядра дорівнює роботі, яку потрібно зробити для розщеплення ядра на складові його нуклони без повідомлення їм кінетичної енергії

 

 

 

 

 

МЯ < Σ(mp  + mn)

Мя - маса ядра

Вимір мас ядер показує, що маса спокій ядра менше, чим сума мас спокою складових його нуклонів.

Величина

служить заходом енергія зв'язку й називається дефектом маси.

Рівняння Ейнштейна в спеціальній теорії відносності зв'язує енергію й масу спокою частки.

У загальному випадку енергія зв'язку ядра може бути підрахована по формулі

де Z -  зарядове число (число протонів у ядрі);

А - масове число (загальне число нуклонів у ядрі);

mp,, mn і Мя - маса протона, нейтрона а ядра

Дефект маси (Δm) рівні.й 1 а.о. м. (а.о.м. - атомна одиниця маси) відповідає енергій зв'язку (Есв), рівної 1 а.е.е. (а.о.е. - атомна одиниця енергії) і рівної 1а.о.м.·с2 = 931 МеВ.

§ 4 Ядерні реакції

Зміни ядер при взаємодії  їх з окремими частками й один з одним прийнято називати ядерними реакціями.

Розрізняють наступн, найбільше часто зустрічаються ядерні реакції.

Реакція перетворення. У цьому випадку частка, що налетіла, залишається в ядрі, але проміжне ядро випускає яку-небудь іншу частку, тому ядро - продукт відрізняється від ядра-мішені

  1. Реакція радіаційного захоплення. частка, що налетіла, застряє в ядрі, але збуджене ядро випускає надлишкову енергію, випромінюючи γ- фотон (використовується в роботі ядерних реакторів)
Приклад реакції захоплення нейтронів кадмієм

або фосфором

  1. Розсіювання. Проміжне ядро випускає частку, тотожну

с, що налетіла, причому може бути:

пружне розсіювання, при якому  ;
  • непружне розсіювання, при якому.

Пружне розсіювання нейтронів вуглецем (використовується в реакторах для вповільнення нейтронів):

Непружне розсіювання:

  1. Реакція розподілу. Це реакція, що йде завжди з виділенням енергії. Вона є основою для технічного одержання й використання ядерної енергії. При реакції розподілу порушення проміжного складеного ядра настільки велике, що воно ділиться на два, приблизно рівних осколка, з виділенням декількох нейтронів.
Якщо енергія порушення невелика, то поділ ядра не відбувається, а ядро, втративши надлишок енергії шляхом випущення  γ - фотона або нейтрона, вернеться в нормальний стан (рис. 1). Але якщо внесена нейтроном енергія велика, те збуджене ядро починає деформуватися, у ньому утворюється перетяжка й у результаті воно ділиться на два осколки, що розлітаються з величезними швидкостями, при цьому випускається два нейтрони (рис. 2)
  1. (рис. 2).

 

Ланцюгов реакці -, що саморозвиваючися реакція Для здійснення її необхідно, щоб із вторинних нейтронів, що утворюються при одному акті розподілу, хоча б один смог викликати наступний акт розподілу: ( тому що деякі нейтрони можуть брати участь у реакціях захоплення не викликаючи розподілу) . Кількісно умова існування ланцюгової реакції виражає коефіцієнт розмноження

k < 1 - ланцюгова реакція неможлива, k = 1 (m = mкр) - ланцюгова реакцій з постійною кількістю нейтронів (у ядерному реакторі}, k > 1 (m > mкр) - ядерні бомби.

РАДІОАКТИВНІСТЬ

§1 Природня радіоактивність

 Радіоактивність являє собою мимовільне перетворення нестійких ядер одного елемента в ядра іншого елемента. Природньою радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається в існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, отриманих у результаті ядерних реакцій.

Типи радіоактивності:

  1. α-розпад.
Випущення ядрами деяких хімічних елементів α-системи двох протонів і двох нейтронів, з'єднаних воєдино ( а-частка - ядро атома гелію )

α-розпад властивий важким ядрам з А > 200 і Z > 82. При русі в речовині α-частки роблять на своєму шляху сильну іонізацію атомів (іонізація - відрив електронів від атома), діючи на них своїм електричним полем. Відстань на яке пролітає α-частка в речовині до повної її зупинки, називається пробігом частки або проникаючою здатністю (позначається R, [R] = м, см). . При нормальних умовах α- частка утворює в повітрі 30000 пар іонів на 1 див шляху. Питомою іонізацією називається число пар іонів, що утворюються на 1 див довжини пробігу. α- частка виявляє сильну біологічну дію.

Правило зсуву для α-розпаду:

 

2. β-розпад.

а) електронний (β-): ядро випускає електрон і електронне антинейтрино

б) позитронний (β+):ядро випускає позитрон і нейтрино

Ця процеси відбуваються, шляхом перетворення одного виду нуклона в ядрі в іншій: нейтрона в протон або протона в нейтрон.

Електронів у ядрі ні, вони утворюються в результаті взаємного перетворення нуклонів.

Позитрон - частка, що відрізняється від електрона тільки знаком заряду (+е = 1,6·10-19 Кл)

З експерименту випливає, що при β - розпаді ізотопи втрачають однакову кількість енергії. Отже, на підставі закону збереження енергії В. Паули передбачив, що викидається ще одна легка частка, названа антинейтрино. Антинейтрино не має заряду й маси. Втрати енергії β - частками при проходженні їх через речовину викликаються, головним чином, процесами іонізації. Частина енергії губиться на рентгенівське випромінювання при гальмуванні β - частки ядрами поглинаючого речовини. Тому що β - частки мають малу масу, одиничний заряд і дуже більшими швидкостями, те їх іонізуюча здатність невелика, (в 100 раз менше, чим в α - часток), отже здатність, що проникає (пробіг) в β - часток суттєво більше, чим в α - часток.

Rβ воздуха =200 м , Rβ Pb ≈ 3 мм

β-  - розпад відбувається в природніх і штучних радіоактивних ядер. β+ - тільки при штучній радіоактивності.

Правило зсуву для β- - розпаду:

в) К - захоплення (електронне захоплення) - ядро поглинає один з електронів, що перебувають на оболонці ДО ( рідше L або М ) свого атома, у результаті чого один із протонів перетворюється а нейтрон, випускаючи при цьому нейтрино

Схема К - захоплення:

 

 

Місце е електронній оболонці, звільнене захопленим електроном, заповнюється електронами з вышележащих шарів, у результаті чого виникають рентгенівські промені.

3. γ-промені.

Звичайно всі типи радіоактивності супроводжуються випущенням γ- променів.γ-промені - це електромагнітне випромінювання, що володіє довжинами хвиль від одного до сотих часток ангстрем λ'=~ 1-0,01 ?=10-10-10-12 м. Енергія γ-променів досягає мільйонів еВ.

~ MэB

1еВ=1,6·10-19 Дж

Ядро, що випробовує радіоактивний розпад, як правило, виявляється збудженим н його перехід в основний стан супроводжується випущенням γ – фотона. При цьому енергія γ-фотона визначається умовою

де Е2 і E1 - енергія ядра.

Е2- енергія а збудженому стані;

Е1 - енергія в основному стані.

Поглинання γ-променів речовиною обумовлено трьома основними процесами:

  1. фотоефектом ( при hv < l MеB);
2. утворенням пар електрон – позитрон;

або

  • розсіювання (ефект Комптона) -
Поглинання γ-променів відбувається за законом Бугера:

 

де μ- лінійний коефіцієнт ослаблення, що залежить від енергій γ - променів і властивостей середовища;

І0- інтенсивність падаючого паралельного пучка;

I - інтенсивність пучка після проходження речовини товщиною х див.

γ-промені - одне з найбільш проникаючих випромінювань. Для найбільш твердих променів (max) товщина шару половинного поглинання рівна у свинці 1,6 см, у залозі - 2,4 см, в алюмінії - 12 см, у землі - 15 см.

§2 Основний закон радіоактивного розпаду.

Число ядер, що розпалися, dn пропорційно первісному числу ядер N і часу розпаду dt, dn~n dt. Основний закон радіоактивного розпаду в диференціальній формі:

Коефіцієнт λ називається постійної розпаду для даного виду ядер. Знак “-“ означає, що dn повинне бути негативним, тому що кінцеве число ядер, що не розпалися, менше початкового.

отже, λ характеризує частку ядер, що розпадаються за одиницю часу, т е. визначає швидкість радіоактивного розпаду. λ не залежить від зовнішніх умов, а визначається лише внутрішніми властивостями ядер. [λ]=с-1.

Основний закон радіоактивного розпаду в інтегральній формі

де N 0 - первісне число радіоактивних ядер при t=0;

N - число ядер, що не розпалися, у момент часу t;

λ - постійна радіоактивного розпаду.

 Про швидкість розпаду на практиці судять використовуючи не λ, а Т1/2 - період напіврозпаду - час, за який розпадається половина первісної кількості ядер. Зв'язок Т1/2 і λ

Т1/2 U238 = 4,5·106 років, Т1/2 Ra = 1590 років, Т1/2 Rn = 3,825 діб. Число распадов в единицу времени А = - dN/dt называется активностью данного радиоактивного вещества.

З

випливає,

[А] = 1Беккерель = 1розпад/1с;

[А] = 1Ки = 1Кюрі= 3,7·1010 Бк.

Закон зміни активності

де А0 =λN0 - початкова активність у момент часу t = 0;

А - активність у момент часу t.

До списку лекцій

Головна