Реферат: Элементы физики ядра
Название: Элементы физики ядра Раздел: Рефераты по физике Тип: реферат | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА Содержание : Строение атомного ядра. Модели ядра. Природа ядерных сил. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада, α –, β – и γ – излучение атомных ядер. Строение атомного ядра Состав ядра Атомное ядро это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена вся масса атома. Атомное ядро любого химического элемента (кроме атома водорода) состоит из протонов и нейтронов (рис. 12.1). Эти частицы называются нуклонами.
Рис. 12.1
[ – масса электрона; e – элементарный заряд, – постоянная Планка; протоны и нейтроны являются фермионами, а.е.м. – атомная единица массы . Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): 1 а.е.э.=931.5016 МэВ.] Магнитные моменты протона и нейтрона соответственно равны: , , где – ядерный магнетон. Характеристики атомного ядра Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зарядовое Z и массовое А числа.
Итак, число Z равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд Ze. Его также называют атомным номером. Массовое число А определяет число нуклонов в ядре. Число же нейтронов в ядре N = А – Z. Символически эти характеристики ядра обозначают так:
Изотопы, изобары, изотоны
Дефект массы и энергия связи ядра Для того чтобы разделить ядро на отдельные свободные нуклоны необходимо произвести работу против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Ясно, что эта работа . Известно, что энергия покоя частицы связана с ее массой как . Значит, энергия покоя ядра меньше суммы энергий покоя свободных нуклонов, входящих в состав данного ядра, на величину работы . Из закона сохранения энергии имеем: . На практике используется не работа, а величина, определяемая с обратным знаком и называемая энергией связи ядра , . Тогда закон сохранения энергии можно записать в виде . Перепишем это выражение через массы атомов, которые содержатся в физических таблицах. Для этого добавим и вычтем к правой части предыдущего равенства массу электронов, содержащихся в атоме, т.е. : Здесь – масса атома водорода , – масса атома. Итак, . В физических таблицах обычно приводятся не массы ядер, а массы т атомов. Так как на величину ,то во второй формуле первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но масса атома отличается от массы ядра как раз на Z электронов, поэтому вычисления по обеим формулам приводят к одинаковым результатам. Величина называется дефектом массы ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, , называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. На рис. 12.3 изображена зависимость удельной энергии связи от массового числа A .
Рис. 12.3 Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50–60 (от Cr до Zn). Для них МэВ/нуклон. С ростом A уменьшается. Так для урана МэВ/нуклон. Это уменьшение обусловлено тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания. Такая зависимость, изображенная на рис. 12.3, делает энергетически возможными два процесса: 1) деление тяжелых ядер на более легкие ядра; 2) слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые ядра. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерные реакции). Радиоактивность Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних нестабильных атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц (Беккерель 1896). Радиоактивность , наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной . Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной . Виды радиоактивного излучения: α–излучение Отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Представляет собой поток ядер гелия; заряд α–частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия . По отклонению α–частиц в электрическом и магнитном полях был определен их удельный заряд (рис. 12.4),значение которого подтвердило правильность представлений об их природе. β–излучение Отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у α–частиц. Представляет собой поток быстрых электронов. γ–излучение Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью, при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов (фотонов). Рис. 12.4 Закон радиоактивного распада Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях: 1) постоянная распада не зависит от внешних условий; 2) число ядер, распадающихся за время dt, пропорционально наличному количеству ядер. Эти предположения означают, что радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данного ядра является случайным событием, имеющим вероятностный характер. Предположим, что в момент времени t было N радиоактивных ядер, а в момент времени t + dt осталось N – dN нераспавшихся ядер. Убыль числа ядер за время определяется как: . Можно считать, что число ядер, распадающихся за время , пропорционально N и : , где – постоянная распада . Интегрирование этого равенства дает – основной закон радиоактивного распада. Формулировка основного закона радиоактивного распада : число еще нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте (см. рис. 12.5). Здесь N – число нераспавшихся ядер к моменту времени t ; – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени ). Рис. 12.5 Интенсивность радиоактивного распада характеризуют числом ядер, распадающихся в единицу времени . Ее называют активностью А. Таким образом, активность . Ее измеряют в беккерелях (Бк), 1 Бк = 1 распад/с; а также в кюри (Ки), 1 Ки = 3.7 Бк. Период полураспада Период полураспада – промежуток времени, за который в среднем число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое (см. рис. 12.5). Подставляя в формулу, выражающуюосновной закон радиоактивного распада, получим: . Для известных в настоящее время радиоактивных ядер варьируется от с до лет. Среднее время жизни радиоактивного ядра Количество ядер, распавшихся за промежуток времени (t , ), равно . Время жизни каждого из ядер равно t . Следовательно, сумма времен жизни всех имевшихся первоначально ядер определяется интегрированием выражения по времени от 0 до . Разделив сумму времен жизни всех ядер на , получим среднее время жизни τ ядра: . Для выполнения интегрирования перейдем к новой переменной . Интегрирование выполним по частям: . Таким образом, получим . Сравнение с показывает, что период полураспада отличается от числовым множителем, равным . |