Лекции по физике. Оптика Основы физики атомного ядра и элементарных частиц

2 Модель атома Резерфорда Впервые современные представления о строении атома и существовании плотного компактного ядра атома были высказаны Э.Резерфордом на основании результатов исследований рассеяния - частиц на тонких плёнках золота

3

4 Строение ядра атома В опытах Резерфорда было установлено, что ядра атомов имеют размеры порядка м Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов Протон имеет положительный заряд равный по величине заряду электрона и массу 1,67· кг, т.е.масса протона почти в 2000 раз больше массы электрона. Свободный протон является стабильной частицей

5 Строение ядра атома Нейтрон является нейтральной частицей, его масса на 2· кг больше массы протона. Свободный нейтрон является нестабильной частицей с периодом полураспада 10 3 с. В ядре в результате действия ядерных сил происходят постоянные взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга Протоны и нейтроны называются нуклонами

6 Строение ядра атома Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом А Заряд ядра равен Z·e, где Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре. Оно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева Ядро обозначается символом соответствующего элемента Х с индексами А и Z:

7 Строение ядра атома Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами Ядра с одинаковыми, А но разными Z – изобары Изотопы обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами т.к. они определяются одинаковой структурой их электронных оболочек

8 Строение ядра атома Радиус ядра можно определить по формуле: R=R 0 A 1/3 где R 0 1,5· м. Эта величина является не точно определённой Измерения массы ядер показали, что она меньше суммарной массы нуклонов на величину, называемую дефектом массы m

9 Энергия связи ядра атома В соответствии с формулой E=mc 2 дефекту массы соответствует энергия связи нуклонов в ядре: E св =(Zm p +(A-Z)m n -m я )с 2 (1) где m p, m n и m я – соответственно массы протона, нейтрона и ядра

10 Энергия связи ядра атома Важной характеристикой является удельная энергия связи E св, т.е. энергия связи приходящаяся на один нуклон. Она характеризует устойчивость ядер А E св, МэВ Н Н 6363 Li 4242 НeНe U

11 Энергия связи ядра атома Наиболее устойчивыми оказываются элементы с А=50 60 Наблюдаются колебания на зависимости E св от А. Это связано с существованием устойчивых ядерных конфигураций А E св, МэВ Н Н 6363 Li 4242 НeНe U

12 Спин и магнитный момент ядра Тщательное исследование спектров атомов позволило обнаружить в них сверхтонкую структуру линий. Она была объяснена существованием орбитального момента импульса (спина) ядра Спин ядра L я складывается из спинов нуклонов и их орбитальных моментов (т.е. моментов импульса движения нуклонов в ядре)

13 Спин и магнитный момент ядра Спин ядра квантуется по закону: где I – спиновое квантовое число, принимающее целые и полуцелые значения 0,1/2,1,3/2,... Ядра с чётным А имеют целые, а с нечётным - полуцелые I Наличие спина приводит к появлению магнитного момента ядра р mя.

14 Спин и магнитный момент ядра р mя и L я связаны соотношением: р mя =g я L я где коэффициент пропорциональности g я называется ядерным гиромагнитным отношением Существует метод регистрации поглощения высокочастотного электромагнитного излучения при изменениях ориентации ядерных магнитных моментов в магнитном поле – метод ядерного магнитного резонанса, имеющий важное практическое применение

15 Ядерные силы Между нуклонами ядра действуют особые ядерные силы. Их основные свойства: 1. Это силы притяжения 2. Они проявляются на очень малых расстояниях ~ м 3. Им свойственно насыщение, т.е. может взаимодействовать только ограниченное число нуклонов 4. Они зависят от ориентации спинов нуклонов 5. Ядерные силы не являются центральными

16 Радиоактивное излучение А. Беккерелем в 1896 г. было обнаружено явление испускания соединениями урана неизвестного ранее излучения названного радиоактивным излучением Само это явление называется радиоактивностью. Оно заключается в самопроизвольном (спонтанном) превращении некоторых атомных ядер в другие ядра

17 Радиоактивное излучение Радиоактивное излучение бывает трёх типов: -, - и -излучение -излучение представляет собой поток ядер гелия -излучение является потоком быстрых электронов -излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение

18 Радиоактивное излучение Важной практической задачей является регистрация радиоактивного излучения. Для этого используют детекторы радиоактивного излучения Сцинциляционный счётчик регистрирует вспышки люминесценции, происходящие под действием излучения В газоразрядном счётчике при прохождении излучения возникает газовый разряд, регистрируемый приборами Дозиметры различных типов регистрируют суммарную дозу облучения за некоторый промежуток времени

19

20 Ядерные реакции Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом Различают реакции радиоактивного распада и реакции ядерного синтеза В ядерных реакциях выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел, а так же законы сохранения энергии, импульса и момента импульса

21 Радиоактивный распад При радиоактивном распаде (спонтанном) происходит деление исходного (материнского) ядра на несколько осколков – дочерних ядер меньшей массы Изменение числа исходных ядер N со временем описывается законом радиоактивного распада: N=N 0 exp(- t)(2) где - постоянная радиоактивного распада

22 Реакция деления ядра В реакциях деления ядра происходит распад ядра на несколько более мелких ядер и элементарных частиц после захвата некоторых частиц Их важной особенностью является возможность возникновения цепной реакции, когда продукты деления инициируют новые превращения Такие реакции используются в атомной энергетике и в военных целях

23

24 Реакции ядерного синтеза В реакциях ядерного синтеза происходит образование из лёгких ядер более тяжёлых Особое значение имеют реакции с участием изотопов водорода:

25 Реакции ядерного синтеза Указанные реакции (термоядерного синтеза) имеют значительный энергетический выход, поэтому они являются перспективными для получения энергии Для их осуществления необходимо сблизить ядра. Это возможно при температурах порядка 10 7 К Задачей термоядерной энергетики является создание условий для протекания реакций термоядерного синтеза

26 Физика элементарных частиц После выяснения структуры ядра возник вопрос о том, какие частицы можно считать элементарными Чтобы выяснить это, известные частицы пытаются расщепить разогнав их до высоких скоростей и сталкивая друг с другом Для получения частиц высоких энергий используют ускорители, а так же космические лучи

27 Физика элементарных частиц Другой задачей физики элементарных частиц является исследование продуктов взаимодействия частиц Для этого используют пузырьковые камеры, камеры Вильсона, толстослойные фотоэмульсии и другие устройства

28

29 Физика элементарных частиц Основные результаты физики элементарных частиц следующие: Известные элементарные частицы можно классифицировать по группам: фотонов, лептонов и адронов Частицы испытывают постоянные взаимные превращения Существует гипотеза, что все адроны состоят из кварков – элементарных частиц недоступных непосредственному наблюдению, имеющих дробный электрический заряд

30