Атомное ядро. Элементарные частицы Строение атомных ядер. Массовое и зарядовое числа. Нуклоны

К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп Схема опыта Э. Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер (1919) p = 1, ·10 –19 Кл m p = 1, –27 кг=1, а. е. м. 1 а. е. м. = 1,66057·10 –27 кг. протоны входят в состав ядер атомов

1932 г. Дж. Чедвик Схема установки для обнаружения нейтронов масса нейтрона m n = 1, –27 кг = 1, а. е. м. Открытие нейтрона

Счетчик Гейгера - Мюллера

Камера Вильсона

Строение атомных ядер Российский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно- нейтронном строении атомных ядер.Д. Д. ИваненкоВ. Гейзенберг Протоны и нейтроны - нуклонами. Число протонов Z - зарядовым числом Число нейтронов - N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A: A = Z + N

Ядро обозначают тем же символом, что нейтральный атом: Атомное ядро = «нуклид». X- символ химического элемента Частица Масса Заряд (в единицах заряда электрона) Спин, кг МэВ Электрон 9.31· ,51 Протон · ,25+1 Нейтрон · ,550 Основные характеристики частиц, входящих в состав атома 1 эВ = 1.6· Дж, масса в 1 МэВ рассчитана с использованием формулы на E = mc 2

Всего в природе ~300 устойчивых изотопов, ~50 неустойчивых. Существуют ядра, имеющие большое количество изотопов (Sn – 30 изотопов, 10 из них стабильны ). В ядерных реакциях получено > 1800 изотопов (~100 из них в трансурановой области, лежащей за 92 U) В зависимости от значений Z, A, N различают : «Изотоп» - «то же самое место» - все изотопы данного элемента в одном месте таблицы. Изотопы ИзобарыИзотоны Ядра с одинаковым Z, но разными A Ядра с одинаковыми A, но разными Z Ядра с одинаковым числом нейтронов N

Взаимодействие нуклонов в ядре, свойства и природа ядерных сил Особенности ядерных сил: 1. Являются специфическими силами притяжения. ~ в 100 раз > электростатических, на десятки порядков силы гравитационного взаимодействия нуклонов. 2. Короткодействующие. Проявляются на расстояниях порядка размеров ядра (~ м – радиус действия ядерных сил). 3. Им присуща зарядовая независимость: ядерные силы между 2-мя р, 2-мя n, или между р и n имеют одинаковую величину. Имеют не электро статическую природу, не зависят от заряда нуклонов. 4. Зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов (протон и нейтрон, образуя дейтрон, удерживаются вместе, когда их спины параллельны друг другу). 6. Не являются центральными (в отличие от кулоновских). 7. Обладают свойством насыщения ( каждый нуклон взаимодействует в ядре с ограниченным числом ближайших нуклонов ). Удельная Е связи нуклонов в ядре при числа нуклонов ~ постоянная.

В первом приближении ядро можно считать шаром. Размеры атомных ядер ~ ÷ м (<< размера атома). Масса атома практически равна массе ядра. объем ядра ~ числу нуклонов в ядре А, А~m средняя ρ ядерного вещества практически одинакова, не зависит от Z.

Ни одна модель не дает исчерпывающего описания ядра, каждая рассматривает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений. В теории ядра используют модельный подход – используют различные приближения – ядерные модели, с помощью которых удается объяснить многие свойства атомных ядер. 1. Недостаточность знаний о ядерных силах, действующих между нуклонами. Капельная и оболочечная модели основаны на аналогии свойств атомных ядер со свойствами жидкой капли и электронной оболочки атома. Попытки создать теорию, достаточно точно описывающую многообразие свойств ядер, наталкиваются на : Модели атомного ядра: капельная, оболочечная. 2. Трудность точного решения квантовых уравнений, описывающих движение большого числа нуклонов в ядре. 3. Трудность учета движения нуклонов вследствие сильного взаимодействия между ними.

Капли жидкости – постоянная ρ вещества, не зависящая от числа молекул малая сжимаемость. Ядра – практически одинаковая ρ, не зависящая от числа нуклонов крайне малая сжимаемость ядерного вещества. Модель используют при описании реакций, происходящих при столкновении с ядрами других ядер, нуклонов и других частиц. В капле и ядре – определенная подвижность частиц. Объем капли и ядра ~ числу составных частиц. Капельная – первая простейшая модель ядра (Я.И. Френкель , развита Н.Бором и др.) Аналогия поведения нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Ядро – как капля заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной. Силы между нуклонами короткодействующие (как и между молекулами в жидкости). Позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций, реакций деления ядер. Не смогла объяснить повышенную стабильность некоторых ядер.

Наиболее устойчивы ядра с А=2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152. Называют магическими, у которых магические числа р и n,- дважды магические – особенно устойчивы (5). При столкновении 2-х нуклонов – обмен их Е кин. Из решения уравнения Шредингера для движущегося в самосогласованном поле нуклона нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, характеризуемых определенными Ψ и индивидуальными числами n и l. Оболочечная – М. Гепперт-Майер и И. Иенсен Отдельные нуклоны в ядрах движутся независимо в усредненном поле нуклонов. Это поле является сферическим потенциальным (самосогласованным). В ведение этого одинакового для всех нуклонов поля позволяет рассматривать движение отдельного нуклона сводить задачу многих тел к задаче 1-го тела. По модели, нуклоны распределены по дискретным энергетическим уровням, заполняемых согласно принципа Паули, устойчивость ядер связывают с заполнением уровней (ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы).. Модель позволила описать основные свойства ядер в невозбужденном состоянии, объяснить спины и магнитные моменты ядер, периодичность свойств ядер.

Естественная и искусственная радиоактивность. Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Естественная радиоактивность – радиоактивность у существующих в природе неустойчивых изотопов – А.Беккерель – U-соль испускает лучи, проходящие через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, ионизируют воздух становится проводником электричества. Э.Резерфорд – Эти лучи содержат минимум 2 компоненты, различающиеся проникающей способностью. Менее проникающее излучение – α-лучи, более – β-лучи П.Виллар – Третий компонент радиоактивного излучения - γ-лучи. Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.

Радиоактивными являются все химические элементы с Z > 83, у элементов с Z < 83 имеются отдельные радиоактивные изотопы. Радиоактивное излучение является следствием внутриядерных процессов. В 1898 г. французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Ро и радий Rа Установлено: все воздействия (механическое, давление, температура, электрическое и магнитное поля) не влияют на характер радиоактивного излучения.

N – число радиоактивных ядер в данный момент времени; dN – уменьшение их числа за промежуток dt dN = –λ N dt λ - постоянная для данного радиоактивного элемента, определяет вероятность распада каждого отдельного ядра атома за 1 с - постоянная радиоактивного распада; «-» показывает, что число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает. Закон радиоактивного распада

1. Среднее время жизни (τ) – время, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается в е раз. Для описания радиоактивного распада используют: 2. Период полураспада (Т) – промежуток времени, по истечении которого начальное число N 0 ядер радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Т ядер от до лет ( 238 U 4,5 млрд лет, 226 Rа – 1620 лет, 23 Mg – 11,6 с)

Альфа – распад Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный барьер Все радиоактивные распады происходят в соответствии с правилами смещения, являющимися следствием законов сохранения электрического заряда и массового числа. Длина пробега (пробег) α-частицы – расстояние, на котором она производит ионизацию. Н.у. в воздухе пробег 4 см, зависит от источника α-частиц (для 238 U – 2,7 см, 226 Rа – 3,3 см, 232 Тh – 2,8 см). В жидкостях и твердых телах – миллионные доли метра.

Бета- распад 1) -распад (электронный): - электронное антинейтрино.

Гипотеза о существовании нейтрино (антинейтрино) была обусловлена: 1. Энергетический спектр электронов (позитронов) при β-распаде непрерывен ( в отличие от α- частиц), с резко обозначенным максимальным значением Е кин. N – число частиц с данной Е. Иногда обозначают dN/dt (dN – число электронов, энергия которых заключена в интервале de). E max E 0 N => Распады, при которых Е электрона < Е max, протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Введение ν(ν), обладающих энергией, решает проблему. 2. При β-распаде число нуклонов в ядре не изменяется (не изменяется массовое число А). Не должен меняться спин ядра. Вылет электрона должен изменить спин ядра на ½ħ. Противоречие закону сохранения импульса спина. Введение ν(ν), имеющего спин ½ħ, устраняет кажущееся нарушение закона сохранения спина – Дэвис- экспериментальное доказательство существования ν; Ли, Янг, Ландау – ν и ν имеют нулевую массу покоя, отличаются направлением спинов ( у ν - против движения, у ν - по движению).

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжёлого W бозона

Нейтрино - это электрически нейтральная элементарная частица с о спином и нулевой (скорее < m e ) массой покоя. Проникающая способность нейтрино столь огромна, что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 1018 м. Позитрон. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г.П. Дираком Бета- распад 2) -распад (или позитронный) : Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

3. Электронный захват (е-захват или К-захват) 1937 Луис Уолтер Альварес Если возникшее ядро в возбужденном состоянии испускание γ- фотона при переходе в более низкое энергетическое состояние. Ядро поглощает К-электрон (реже L- или M-электрон) атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон, испуская нейтрино: Для ядер с Z < 100 (без исключения) существуют нестабильные изотопы, обладающие β + -активностью. Выделяемая в процессе распада энергия 0.02 ÷ 16.6 МэВ. α-распад наблюдается только у самых тяжелых ядер, β-активные ядра более многочисленны. Период полураспада β-активных ядер от с до лет. K - оболочка L - оболочка К-захват L-захват ядр о

Схема распада радиоактивной серии Указаны периоды полураспада

γ-излучение - коротковолновое э/м излучение с λ < м, поток γ-квантов (фотонов). Не отклоняется э/ м полем. Слабая ионизирующая способность, большая проникающая способность (проходит через слой Рb d=5 см). Излучение ядрами γ-квантов не самостоятельный процесс. γ-излучение сопровождает α- и β-распады, не приводит к изменению структуры ядер. Может возникать при ядерных реакциях, торможении заряженных частиц. Падая на кристалл γ-излучение дает явление дифракции. Опасно для биологических объектов ! γ-излучение испускается дочерним ядром. Если в момент образования оно в возбужденном состоянии через ÷ с переходит в основное состояние с испусканием γ-квантов. γ-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп γ-квантов с отличающимися энергиями. При радиоактивных распадах ядер γ-кванты имеют энергии от 0,01 до 5 МэВ. γ-спектр (распределение γ-квантов по энергиям) является линейчатым. При γ-излучении А и Z числа не меняются оно не описывается правилами смещения.

γ-кванты не несут кулоновского заряда не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении вещества толщиной dх интенсивность излучения меняется на dI Прохождение γ-излучения через вещество сопровождается его поглощением. μ – линейный коэффициент поглощения, зависит от свойств вещества и энергии γ-квантов Зависимость интенсивности γ-излучения I на глубине х от I 0 падающего узкого пучка на вещество и от μ. Ослабление интенсивности γ-излучения – результат взаимодействия γ-квантов с электронной оболочкой атомов вещества и с их ядрами.

Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом: 1. Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение γ-излучения) – процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Фотоэффект происходит при взаимодействии γ-квантов со связанными электронами. Электрон выбивается из внутренних оболочек атома, освободившееся место заполняется е из вышележащих оболочек фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект – преобладающий механизм поглощения γ-квантов при Е γ 100 кэВ, т.е. менее 0,1 МэВ. При Е γ 0,5 МэВ вероятность фотоэффекта мала. Основной механизм в этом случае 2. Комптоновское рассеяние – упругое рассеяние коротковолнового э/м излучения (рентгеновского и γ) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. При Е γ-квантов до Е > 1,02 МэВ (=2m е с 2 ) становится возможно

3. Образование электронно-позитронных пар. Вероятность этого процесса ~ Z 2 и с ростом Е γ. При очень больших энергия (Е γ 10 МэВ) основной процесс взаимодействия γ-излучения с веществом – образование электронно-позитронных пар. При прохождении возникшего электрона через вещество, он может тормозиться : Возникает снова γ-квант, называемый тормозным. Взаимодействует с ядром рождение новой е - е + пары. Электронно-фотонная лавина. Процесс прекращается, когда Е образовавшихся частиц станет меньше критической. 4. Если Е γ превышает энергию связи нуклонов (7-8 МэВ), может наблюдаться ядерный фотоэффект – выброс из ядра одного из нуклонов (чаще протона). α-, β-распады (в том числе электронный захват), γ- излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, протонную радиоактивность (ядро испускает 1 или 2 протона – 1969 – Флеров) относят к числу радиоактивных процессов. Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле, которое отклоняет отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон в противоположные стороны.

Ядерные реакции могут сопровождаться поглощением или выделением энергии – Н. Бор – вызываемые быстрыми частицами ядерные реакции протекают в 2 этапа: С поглощением энергии – эндотермические реакции. Тепловой эффект (энергия реакции) – количество выделяющейся энергии (> 0 или < 0). Промежуточное ядро называют составным ядром или компаунд-ядром. Оно в возбужденном состоянии. 2. Составное ядро испускает частицу b. Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Называют прямыми ядерными взаимодействиями. 1. Ядро Х захватывает приблизившуюся к нему частицу а, образуя промежуточное ядро П («ядро-мишень» Х сливается с бомбардирующей частицей а, образуя новое ядро П). Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции. Время жизни составного ядра ÷ с. При ядерных реакция выполняются закон сохранения: электрического заряда, числа нуклонов, энергии, импульса, момента импульса.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы г. О. Ган и Ф. Штрассман Деление тяжелых ядер Цепная реакция деления

Схема ядерного реактора Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.И. В. Курчатова

Взрыв атомной бомбы в Нагасаки (1945) Взрыв советского ядерного устройства на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года. 10 часов 05 минут.

При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются: световое излучение ионизирующее излучение ударная волна радиоактивное заражение электромагнитный импульс психологическое воздействие изменения в половой системе склеротические процессы лучевую катаракту иммунные болезни радиоканцерогенез сокращение продолжительности жизни генетические и тератогенные эффекты Japanese woman suffering burns from thermal radiation after the United States dropped nuclear bombs on Japan in World War II.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Международный экспериментальный термоядерный реактор Использование термоядерных реакций не будет загрязнения окружающей среды (не образуются радиоактивные изотопы, в отличие от реакций деления ядер). Управляемый термоядерный синтез - практически неисчерпаемый источник энергии. Дейтерий для (1) содержится в морской воде (НDО и D 2 О) – хватит на сотни миллионов лет. Тритий путем облучения жидкого лития (запасы велики) нейтронами от ядерного реактора (реакция 2).

1. Мягкая компонента – сильно поглощается Рb. Состоит из каскадов (или ливней) электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада π 0 - мезона или резкого торможения быстрого электрона γ-фотон, пролетая вблизи ядра, создает е - е + - пару. Торможение е - и е + приводит к образованию γ-фотонов. В составе вторичных космических лучей выделяют: Рождение пар и возникновение γ-фотонов идет, пока энергии фотонов достаточно для образования пар. 2. Жесткая компонента – не проникает через большие толщи Рb. Состоит в основном из мюонов. Образуется преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π - мезонов. Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле.

Для описания свойств частиц вводят: Массу частицы (m). Выражают в МэВ или ГэВ в соответствии с Е=mс 2. Среднее время жизни (τ). Мера стабильности частицы. Для е -, р,γ, ν τ=. (τ е > лет, τ р ~ лет, τ n ~898 с). Наиболее короткоживущие частицы - резонансы – имеют τ < с. Спин J – собственный момент импульса частицы, в единицах ħ. Электрический заряд (q) – характеризует способность частиц участвовать в э/м взаимодействии. Вектор собственного магнитного момента характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Магнитные моменты выражают в единицах магнетона Бора

Первая античастица - позитрон е – с помощью камеры Вильсона в космическом излучении. Одинаковая масса m, время жизни τ и спин J. Остальные характеристики равны по модулю, противоположны по знаку (q, p m ). Позитроны образуются при соударении фотонов большой энергии с атомными ядрами. Встречаясь друг с другом аннигилируют. Частицы, не имеющие античастиц, называют абсолютно нейтральными (фотон, π 0 -мезон, η-мезон). Не способны к аннигиляции. У частиц есть античастицы. П. Дирак – Взаимопревращение элементарных частиц – одно из их фундаментальных свойств. Образующиеся частицы не содержатся в исходных, рождаются в процессах их соударения или распада.

Свойства СильноеЭлектро- магнитное Слабое Гравитационное Интенсивность (в отн. ед.) Радиус действия (м) (неограничен) (неограничен) Время взаимодействия (с) (быстрое) (медленное) Квант -переносчик взаимодействия пионы, глюоны γ-квантыW-бозонG-гравитон Область действия Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах Связь кварков в адронах Характерно для всех элементарных частиц, обладает электр. зарядом Распады: β-распад, μ-распад с участием нейтрино Присуще всем частицам, имеющим массу. Элементарные частицы принято классифицировать по типам взаимодействий, в которых они участвуют.