LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 18
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Строение и свойства атомного ядра 331

водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны берга, согласно которому невозможно одновременно уста-
заключить, что атом азота распадается вследствие громадных новить определенную координату (X, Y, Z) и определенную
сил, развивающихся при столкновении с быстрой ос-частицей, соответствующую проекцию импульса (р х , р у , рг) микрочас-
и что освобождающийся водородный атом образует состав- тицы
тицы.
ную часть атома».
Так была впервые высказана мысль о том, что ядра во-
Ay Apy > h,
дорода являются основной частью ядер атомов. Позднее для
обозначения ядер водорода был предложен термин «протон». Дг Др г ? h,
Большим шагом к установлению, строения атома стала где h — постоянная Планка.
гипотеза М. Склодовской-Кюри о том, что в состав ядра вхо- В результате этого протонно-нейтронная модель ядра
дят электроны. Опираясь на нее, Резерфорд предположил, что была отвергнута.
в природе существуют ядра с массой одного, двух и трех ядер
водорода, но с нулевым зарядом. 2.2. Капельная модель ядра
Резерфорд писал, что ему «кажется весьма правдоподоб-
ным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возмож- Капельная модель ядра была предложена в 1936 году Бо-
но, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предполо- ром и Френкелем. Она основывалась на аналогии между пове-
жение, то оно указывает на возможность существования ато- дением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидко-
ма с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно сти. В обоих случаях силы, которые действуют между состав-
рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение ными частицами жидкости (молекулами.) и ядра (.нуклонами),
заключает в себе мысль о возможности существования атома являются короткодействующими, и им свойственно насыще-;
с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю Подобные ние. Для капли жидкости при постоянных внешних условиях
образования представляются вполне возможными» Так была характерна постоянная плотность вещества. Ядра же характе-
высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого ризуются практически постоянной удельной энергией связи и
изотопа водорода. постоянной плотностью, которая не зависит от числа нуклонов
в ядре. Наконец, объем капли, как и объем ядра, пропорциона-
лен числу частиц. Однако эта модель представляет ядро как
каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости с плот-
2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ »
ностью, равной ядерной. Эта жидкость подчиняется законам
АТОМНОГО ЯДРА
квантовой механики. Капельная модель ядра позволила полу-
чить полуэмпирическую формулу для энергий связи нуклонов
2.1. Протонно-нейтронная модель ядра в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно хоро-
шо описала реакции деления ядра. Однако она не объясняет
На сегодняшний день физики всего мира пользуются тео-
повышенную устойчивость ядер, содержащих магические чис
рией о том, что ядро состоит из элементарных частиц — прото-
ла протонов и нейтронов.
нов и нейтронов. Впервые такое предположение высказал в
1932 году советский физик Д. Д. Иваненко. Однако протонно-
нейтронная модель ядра не сразу нашла понимание в рядах 2.3. Оболочечная модель ядра
ученых. Даже Резерфорд утверждал, что нейтрон - лишь слож-
В 50-х годах двадцатого века американец М. Гспнерт-
ное образование протона и электрона. В 1933 году Иваненко
Майер и немец X. Йенсен выступили с оболочечной моде
сделал доклад о модели ядра, отстаивая протонно-нейтронную
лью ядра. Согласно ей распределение нуклонов в ядре про-
теорию. Он опирался на то, что в ядре имеются только тяжелые
исходит по дискретным энергетическим уровням (оболоч-
частицы.
кам\ которые заполняются нуклонами согласно принципу
Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и
Паули. К тому, она связала заполнение этих уровней с ус
протона. По его мнению, обе частицы должны обладать оди-
тойчивостью ядер. Считается, что ядра с полностью запол
наковой степенью элементарности, то есть и нейтрон, и протон
ценными оболочками являются наиболее устойчивыми Та
могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейт-
кие особо устойчивые (магические; ядра действительно
рон стали рассматриваться как два состояния одной частицы
существуют. Это ядра, у которых число протонов или чис
- нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а вскоре в
ло нейтронов равно одному из магических чисел (2, 8, 20,
составе космических лучей была открыта еще одна элемен-
28, 50, 82, 126).
тарная частица — позитрон.
Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и
Сейчас протонно-нейтронная модель ядра уже не вы-
магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных
зывает сомнений. Кроме того, долгое время существовала
ядер, а также периодичность изменений нх свойств. Эта мо-
гипотеза о том, что в ядре могут находиться также и элект-
дель особенно хорошо описывает легкие и средние ядра, а
роны. Однако она имела очень много противоречий и не
также ядра в основном (.невозбужденном) состоянии.
была подтверждена экспериментально. Так, согласно этой
Но мере дальнейшего накопления экспериментальных
гипотезе, массовое число должно соответствовать общему
данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые фак-
количеству протонов в ядре, а разность массового числа и
ты, которые не всегда укладывались в рамки описанных моде-
количества электронов должна быть равна заряду ядра. Эта
лей. Так возникли обобщенная модель ядра (синтез капель
модель не противоречила значениям изотопных масс и за-
ной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объяс-
рядов, однако не согласовалась со значениями магнитных
няет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и мно
моментов ядер, спиноь и энергий связи ядра. Кроме того,
гие другие.
она опровергала соотношение неопределенностей Гейзен
84 Физика

3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЯДЕР АТОМОВ 3.2. Ядерные силы
Ядерное взаимодействие показывает, что между нукло-
3.1. Дефект массы. Энергия связи ядра нами действуют специфические силы, значительно превыша-
ющие кулоновские силы отталкивания между протонами. Их
. -Исследования показали, что масса ядра всегда меньше
нельзя свести ни к одному из типов сил классической физики
арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входя-
(гравитационным, электрическим, магнитным}. Ядерные силы
щих в его состав. Но согласно закону сохранения энергии,
относят к. классу сильных взаимодействий.
всякому изменению массы должно соответствовать измене-
Существует несколько, основных свойств ядерных сил.
ние энергии, поэтому образование ядра должно сопровождаться
1. Ядерные силы — силы притяжения.
выделением энергии. С другой стороны, чтобы расщепить ядро,
2. Ядерные силы являются короткодей:гвующими. Их
надо затратить такое же количество энергии, какое выделяет- 15
- ся.при его образовании. Энергия, которая необходима для . действие проявляется только на расстояниях примерно 10" м.
При увеличении расстояния между нуклонам я ядерные силы
расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энерги-
быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их
ей связи ядра. Согласно уравнению Эйнштейна
радиуса действия ((1,5 • 2,2) • 10˜15 м),-оказываются примерно
2
Е-тс ,
в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между про-
энергия связи нуклонов в ядре равна тонами на том же расстоянии.
3. Ядерные силы проявляют зарядовую независимость:
притяжение между двумя нуклонами постоянно и не зависит
t
где т?, тп, тя - соответственно массы протона, нейтрона и ядра. от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтрон-
Часто вместо массы ядра пользуются массой атома (тп), тогда ного). Это означает, что ядерные силы имеют неэлектронную
выражение принимает вид: природу.
? t .-[Zm H + M-Z)!B D -mjc2, Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравне-
где тн - масса атома водорода. ния энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра,
Энергия связи нуклонов в ядре в миллионы раз превы- в которых одинаково общее число нуклонов, :то число прото-
шает энергию связи атомов в молекуле, поэтому при химиче- нов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра
ских превращениях веществ атомные ядра не изменяются. Гелия \Не и тяжелого водорода трития ]Т.
Величина 4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть
Дт - [Zmp + (А - Z)mJ - т я каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограничен-
называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшает- ным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение прояв-
ся масса всех нуклонов при образовании из них атомного.ядра. ляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при
Часто вместо энергии связи Есв используют удельную энер- увеличении числа нуклонов остается постоянной. Практиче-
ски полное насыщение ядерных сил достигае!ся у агчастицы,
гию связи бЕ^ - энергию связи, отнесенную к одному нукло-
которая является очень устойчивой. .
ну. Это физическая величина, равная той работе, которую нуж-
5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спи-
но совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения
нов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейт-
ему кинетической энергии. Чем больше значение 5Есв, тем устой-
рон образуют дейтрон (ядро изотопа fH) только при условии
чивее ядро. Наиболее устойчивы магические ядра, у которых
параллельной ориентации их спинов.. .'....
магическими являются и число протонов, и число нейтронов
6 8 2
6. Ядерные силы не являются центральными, то есть не
[iHe, '8 О, $Ся, 20 Со, $/%). Довольно устойчивы ядра средней
действуют по линии, соединяющей центры взаимодействую-
части таблицы Менделеева. Тяжелые {А > 60) и легкие (Л ** 12)
щих нуклонов.
ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически вы-
Сложность и неоднозначный характер ядерных сил, а так-
годными являются следующие процессы:
же трудность точного решения уравнений движения всех нук-
1) деление тяжелых ядер на. более легкие;
лонов ядра ( ядро с массовым числом А представляет собой
2) слияние легких ядер в более тяжелые.
систему из А тел; не позволили разработать до сегодняшнего
Оба процесса протекают с выделением огромного коли-
дня единую стройную теорию атомного ядра.
чества энергии, что позволяет практически использовать эти
реакции (термоядерные, реакции деления).




СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

В этом реферате рассказывается о сильном нзадмодей- имеющие положительный электрически заряд, и нейтроны,
ствии, которое, в частности, обеспечивает взаимодействие атом- не имеющие электрического, заряда. Ниже мы перечисляем
ного ядра. Атомные ядра состоят из тяжелых элементарных основные свойства сил, действующих между ними, ядер-
частиц, нуклонов Нуклоны бывают двух типов- протоны, ных сил.
Радиоактивные превращения ядер 85

Ядерные силы — это силы притяжения, так как они удер- единении взаимодействует не со всеми, а лишь с определен-
живают частицы внутри ядра. Однако при очень тесном сбли- ным числом соседних атомов.
жении частиц внутри ядра, ядерные силы начинают отталки- Подобно тому как электрические заряды участвуют в
вать их друг от друга. электростатическом взаимодействии одним из двух возмож-
Ядерные силы — это не электрические силы, так как они ных способов, в качестве «положительного» или «отрицатель-
ного», так.и нуклоны взаимодействуют между собой двумя
действуют не только между заряженными протонами, но и меж-
способами. Такие способы взаимодействия называют «спина-
ду нейтронами, которые не имеют электрического заряда. Это
ми». Если спины одинаковы, то нуклоны с помощью ядерных
также и не гравитационные силы, которые слишком малы, для
сил соединятся между собой в составе ядра, а если спины раз-
того чтобы обеспечить те свойства, которые имеют атомные
ные, то соединения не произойдет. . ;•• -.• •:.. .".
ядра.
Область действия ядерных сил ничтожно мала. Радиус Важнейшим свойством ядерных сил является зарядовая
их действия и 1 • 10˜13 см. При больших расстояниях между независимость, т. е. полная одинаковость трех типов ядерного
взаимодействия' ,• .....:
частицами ядерное взаимодействие не проявляется, поэтому
ядерные силы называют короткодействующими. Их короткодей- — между двумя протонами, , •.-.-..
ствующий характер связан с малым размером ядер (< 10˜12 см) и с - между нейтроном и протоном,
- между двумя нейтронами.
•тем, что при сближении двух ядер (например, двух протонов,
Такие выводы были сделаны при сравнении результатов
которые являются ядрами атомов водорода) на расстояние
12
экспериментов по изучению рассеяния одного нуклона на дру-
порядка 10˜ см действуют только электромагнитные силы, и
гом. . .-.
13
лишь на расстояниях порядка 10˜ ем над кулоновским оттал-
Наконец взаимодействие нейтрона с протоном обладает
киванием протонов начинает преобладать их ядерное притя-
еще одной замечательной особенностью: эти две частицы в
жение.
процессе ядерного взаимодействия могут обмениваться свои-
Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень
ми электрическими зарядами. После взаимодействия нейтрон
интенсивные. Их интенсивность значительно больше интен-
превращается в протон, а протон — в нейтрон. Это качество
сивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удер-
называют обменным характером ядерных сил.
живают внутри ядра одноименно заряженные протоны, кото-
Анализ этого явления с помощью методов квантовой ме-
рые отталкиваются друг от друга с огромными электрически-
ханики'позволил установить механизм ядерного взаимодей-
ми силами. Исследования показывают, что ядерные силы в
ствия. Согласно современным представлениям, ядерное вза-
100-1 000 раз сильнее электромагнитных. Поэтому ядерное
имодействие между нуклонами осуществляется при помощи
взаимодействие и называют сильным.
я-мезонов, которые являются переносчиками (квантами) ядер-
Наименьшее время, за которое две частицы успевают про-
ного взаимодействия. ...-.'•••. . • ..
23
взаимодействозать ядерным образом, ?№р1И, = Ю˜ см. Это вре-
В.процессе ядерного взаимодействия один нуклон ис-
мя во столько же раз меньше времени, за которое частицы
пускает я мезон, а другой поглощает его.
успевают провзаимодействовать электромагнитным образом, .
Кроме протонов и нейтронов, в сильном взаимодействии
во сколько ядерное взаимодействие сильнее электромагнит-
участвуют еще многие частицы (более 3501, например, так на-
ного.-
зываемые странные частицы и резон%нсы.
Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это зна-
Не могут участвовать в сильном взаимодействии фотон
чит, что в ядре один и тот же нуклон взаимодействует не со
(переносчик электромагнитного поля), электрон, позитрон,
всеми нуклонами ядра, а только с несколькими соседними
нейтрино, антинейтрино, мюоны, t лептоны.
Это похоже на валентность атома, который в химическом со-




РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР
План
1. Основные закономерности радиоактивного распада.
2. Радиоактивные процессы.
2.1. а-распад. ,
2.2. [З-оаспад. •
2.3. у-излучение. Эффект Мессбауэра.
2.4. Другие виды радиоактивности.
3. Деление и синтез ядер.

сматривают как самопроизвольное превращение неустой-
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
чивого изотопа одного химического элемента в изогон дру
РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
того элемента. Этот процесс сопровождается испусканием
различных час-тиц (электронов, протонов, нейтронов, а-час
Радиоактивность - самопроизвольный процесс, про-
тип (4
исходящий в атомах радиоактивных элементов. Его рас-
86 Физика'

К радиоактивным элементам относятся те, которые име- Р- +1.
ют порядковый номер более 83. В периодической таблице Мен-
Если же знак волновой функции изминяе <.я нриОТраис»-
делеева они располагаются после висмута. Для этих элемен-
нии, то четность частицы отрицательная:
тов характерно отсутствие стабильных изотопов. Кроме того,
Р--Ь
естественная радиоактивность была обнаружена и у некото
рых изотопов других элементов. Например, исключениями Закон сохранения четности накладывает ряд ограниче-
можно назвать технеций (Те, Z - 43) и прометий (Pm, Z - 61;. ний на ядерные процессы. Так, реакция
Несмотря на то, что их порядковые номера меньше 83, они не
имеют ни одного стабильного изотопа.
запрещена законом сохранения четности, ес;и кинетичес-
Радиоактивный распаб - естественное радиоактивное
превращение ядер. При этом ядро, которое претерпевает рас- кая энергия протона не превышает 0,5 МэВ. Причина в том,
пад, носит название материнского, а то, которое образуется - что при этом значении энергии волновая функция пары ча-
дочернего. стиц j P + J b нечетна, а пары jHe+^He - четна. При более
Основополагающим в теории радиоактивного распада яв-
высокой энергии протона пара частиц jP+^Li может иметь
ляется предположение о гом, что распад - спонтанный про-
четную волновую функцию, и тогда протекание этой реак-
цесс, который подчиняется законам статистики. Распад отдель-
ции возможно.
ных радиоактивных ядер происходит независимо, что позво-
ляет сделать следующий вывод, скорость распада С г. е. число
2.1. а-распад.
ядер, распадающихся за единицу времени; пропорциональна
числу нераспавшихся ядер в данный момент времени:
При а-раснаде из радиоактивного ядра испускается et-чаг-
типа (дважды магическое ядро атома гелия \\\е). Таким об-
разом, дочернее ядро имеет на два протона и два нейтрона
Величина X - коэффициент, который характеризует ско-
меньше, чем материнское, ot-распаду подвергаются главным
рость распада. Он называется постоянной распада Эта вели
чина индивидуальна для каждого радиоактивного ядра. Ее образом тяжелые ядра (А > 200, Z > 8а;.
отрицательное значение указывает на то, что в процессе рас- Правило смещения для а-распада:
пада общее число радиоактивных ядер уменьшается. Найти
начальное число нераспавшихся ядер позволяет закон радио-
а-распад возможен потому, что масса, а следовательно, и
активного распада
энергия а-радиоактивного ядра, больше суммы масс (или сум-
N-N,,ex', марной энергии покоя; а-частицы и дочернего ядра, образую-
где No начальное число нераспавшихся ядер в «ачаль щегося в результате а-распада. Избыток энергии материнско-
ный момент времени (t - 0 /, ' го ядра освобождается в форме кинетической энергии а-час-
N число нераспавшихся ядер в момент времени t тицы и дочернего ядра. Скорости а-частиц, вылетающих при
Основными характеристиками интенсивности распада яв- распаде, колеблются в пределах (1,4 • 2) • 107 м/с. Это соответ-
ляются: ствует энергиям 4 9 МэВ.
1) период полураспада - Бремя, за которое распадается Современная теория ядерных взаимодействий утверж-
половина ядер: дает, что а-частицы образуются в результате встречи двух
протонов и двух нейтронов, движущихся внутри ядра.
_0 693
у—' Энергетический спектр испускаемых а. частиц состоит
из нескольких близко расположенных моноэнергетических ли-
2) среднее время жизни ядра: ний. Это означает, что в пределах каждой группы энергии
частиц постоянны. Дискретность спектра а-частиц еще раз
доказывает дискретность энергетических уровней атома.
Число распадов, которые происходят с ядрами в 1 с, на- Для а распада выполняется следующая закономер-
ность, с уменьшением периода полураспада радиоактивного
зывается активностью нуклида.
элемента увеличивается пробег и энергия исг ускаемых им
A-XN
а-частиц
Эта взаимосвязь была установлена эмпирически и пост
название закона Гейера Нэттола
2. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

2.2. р-распад
Для любого радиоактивного процесса выполняются за-
коны сохранения энергии, импульса, момента количества дви-
В процессе (5-распада нз радиоактивного ядра самопро-
жения, а также электронного заряда. При а-распаде и у-излу-
извольно испускается электрон (электронный, или (3 -распад)
чепии выполняется также закон сохранения четности.
или позитрон {позитронный, или ^-распад). Эти частицы воз-
Четность Р квантовое число, характеризующее сим-
никают в ядре непосредственно в момент р'-распада, а до этого
метрию волновой функции элементарной частицы или систе-
их в ядре нет Кроме того, существует еще третий вид (3-распада
мы элементарных частиц относительно зеркального отраже-
- захват ядром электрона из оболочки своего атома. Он но-
ния Четность частицы положительна, если при зеркальном
сит название ё-захват.
отражении волновая функция частицы не меняет знак-
Радиоактивные превращения ядер 87

2.3. уизлучение. Эффект Мессбауэра
В каждом случае р-распада происходит испускание ней-
трино (или антинейтрино). Правило смещения для Р-распада
Экспериментально установлено, что уизлучение не яв-
имеет вид:
ляется самостоятельным видом радиоактивности. Оно сопро-
*X->Z;,Y+ °e (5--распад. вождает а- и Р-распады, возникает при ядерных реакциях, тор-
можении заряженных частиц и т д.
:
р*-распад.
]X->z\Y+t\e
В процессе у-излучекия ядро самопроизвольно переходит
Как видно из схемы, в случае Р˜-распада заряд ядра уве- из возбужденного состояния в основное или менее возбужден-
личивается на единицу, в случае Р+-распада — уменьшается. ное. При этом избыток энергии ядра освобождается в виде
у-кванта (кванта коротковолнового электромагнитного излуче-
В процессе е-захвата также наблюдается понижение заряда 2
ния) и в виде энергии отдачи ядра (Гя = 10˜ + ЮэВ).
ядра на единицу. Таким образом, ядро превращается в изобар,
Установлено, что у-излучателями являются дочерние
т е. нейтрон превращается в протон или наоборот, при этом
ядра, которые образовались в результате а- и Р-распадов, т. к.
общее число протонов и нейтронов (массовое число) ядра
они образуются и в основном, и в возбужденном состояниях.
остается неизменным. 13 14
Испускание у-излучения происходит в течение 10˜ —10˜ с
Р-распад становится возможным благодаря тому, что ис-
с момента образования дочернего ядра, что значительно мень-
ходное радиоактивное идро имеет большую массу и энергию 8
ше времени жизни возбужденного атома (10" с). При этом
покоя, чем продукты распада. Избыток энергии покоя осво-
переход ядра из возбужденного в стационарное состояние
бождается в форме кинетической энергии электрона или по-
может проходить через ряд промежуточных состояний, каж-
зитрона, энергии антинейтрино или нейтрино и дочернего ядра.
дое из которых имеет свои энергетические характеристики.
Поскольку электрон не вылетает яз ядра и не отрывает-
Поэтому у-излучение одного и того же радиоактивного изотопа

<< Пред. стр.

страница 18
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign