АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Лекция № 15 АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Опыты Резерфорда по наблюдению рассеяния - частиц показали, что атом имеет ажурное строение- большая часть пространства атома (радиус атома около 10-10м) не занята веществом. В центре атома находится ядро (радиус ядра 10-15-10-14м), в котором сосредоточена основная масса и весь положительный заряд атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся отдельные электроны. Заряд атомного ядра является одной из важнейших его характеристик. Оказалось, что величина заряда ядра атома любого элемента равна произведению заряда электрона на порядковый номер элемента в таблице Менделеева

Ядра атомов различных элементов обладают различными зарядами. В целом любой атом нейтрален, т.к. вокруг положительного заряженного ядра обращаются электронов, общий отрицательный заряд которых по абсолютной величине равен положительному заряду ядра.

Ядерные силы

Протоны и нейтроны, несмотря на взаимное отталкивание протонов, удерживаются внутри атомного ядра особыми силами, которые называются ядерными. Они являются самыми интенсивными силами природы.

2. Ядерные силы одинаковые по величине и характеру, действуют между каждой парой нуклонов (между двумя протонами, или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном, т.е. им свойственна зарядовая независимость).

3. Они в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому способны удерживать внутри ядра одноименно заряженные протоны.

4. Ядерные силы действуют на очень малых расстояниях (порядка 10-15м), т.е. являются короткодействующими. Область, в которой проявляется действие ядерных сил, называют «размером» атомных ядер.Протоны сильно отталкиваются от ядра. Ядерные силы относятся к классу сильных взаимодействий.

Каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Поэтому удельная энергия связи нуклонов в ядре остается приблизительно постоянной при увеличении числа нуклонов (это не относится к легким ядрам). В связи с этим говорят, что ядерным силам свойственно насыщение.
Величина ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Оказывается только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовать ядро- дейтрон. Если же спины у них антипараллельны, то интенсивность ядерного взаимодействия недостаточна для образования ядра.
Протон и нейтрон в процессе ядерного взаимодействия могут обмениваться своими электрическими зарядами, так после взаимодействия нейтрон превращается в протон, а протон в нейтрон. Ядерные силы носят обменный характер.

Энергия связи. Энергия связи ядра- это энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Энергия связи- одна из важнейших характеристик прочности ядра.

, (15.1)

где - соответственно массы протона, нейтрона и ядра.

Энергия связи есть минимальное количество энергии, которое может обеспечить разделение ядра на составляющие его нуклоны.

Дефектом массы называют величину

. (15.2)

при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов масса всех нуклонов уменьшается на .

Радиоактивное излучение и его виды. При самопроизвольном распаде ядер испускаются лучи. Коротко охарактеризуем их. лучи – это поток атомных ядер гелия (); - лучи – поток быстрых электронов; - лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение (м). - лучи в отличие от и - лучей, не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полями.

Закон радиоактивного распада. Самопроизвольные превращения атомных ядер происходят по закону радиоактивного распада, согласно которому число ядер, распадающихся за единицу времени (скорость распада) пропорциональна количеству нераспавшихся ядер в данный момент времени

, (15.3)

где - постоянная распада, характеризующая скорость распада. Каждый вид радиоактивного вещества имеет строго определенную константу . Знак «минус» в (7.28) указывает на то, что в процессе радиоактивного распада общее число радиоактивных ядер уменьшается. Разделив переменные в уравнении (15.3) и проинтегрировав его

, ,

получим

, (15.4)

где - начальное число ядер (при ), - число распавшихся ядер в момент времени , - постоянная радиоактивного распада, - основание натуральных логарифмов. Равенство (15.4) выражает закон радиоактивного распада.

Ядерные реакции- это превращение атомных ядер при их взаимодействии с другими ядрами или с элементарными частицами. Символически наиболее распространенная ядерная реакция может быть записана следующим обра

или , (15.5)

где Х и У- испускаемые и конечные ядра, и - бомбардирующая и испускаемая (их может быть несколько) в ядерной реакции частицы. Например,

, или коротко .

При ядерных реакциях меняются и внутренние свойства и состав взаимодействующих атомных ядер и происходит превращение элементарных частиц. Классифицируются ядерные реакции по тому, какими частицами они обусловлены: например, ядерные реакции под действием нейтронов, протонов и дейтронов и т.д.: ядерные реакции под действием -лучей (фотоядерные реакции). Первый класс ядерных реакций делят на группы, по типу испускаемых частиц: например, нейтронные ядерные реакции могут происходить с испусканием -частиц, протонов, дейтронов реакции), -реакции (радиационный захват нейтрона с испусканием -кванта).

Ядерные реакции под действием нейтронов (особенно медленных) нашли наиболее широкое практическое применение среди всех ядерных реакций. Очень часто при захвате медленных нейтронов самыми легкими ядрами происходят испускание заряженных часиц-протонов и -частиц. Например,

(15.6)

Ядерные реакции могут протекать как с выделением энергии (экзотермические реакции), так и с поглощением подводимой извне энергии (эндотермические реакции). Энергия ,выделяемая и поглощаемая в ядерных реакциях в миллионы раз превышает энергию химических реакций. Поэтому в ядерной физике возможно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Закон Эйнштейна ( с- скорость света в вакууме) дает связь изменения массы с энергией. Примером экзотермической реакции (с выделением энергии) является реакция, возникающая при бомбардировке лития протонами:

(15.7)

Энергетический эффект данной реакции можно вычислить по формуле

(15.8)

Из данных о массе атомов, можно определить .

Все ядерные реакции протекают в соответствии с законами сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма электрических зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел), образующихся в результате реакции ядер и частиц. При ядерных реакциях выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Многие из самых тяжелых ядер ( под действием медленных нейтронов испытывают деление, что используется в ядерном реакторе. Самой распространенной ядерной реакцией под действием медленных нейтронов, является радиационный захват, который используется для изменения числа нейтронов с помощью кадмиевых стержней при работе реакторов и получения в реакторах всевозможных радиоактивных изотопов.

Ядерная реакция под действием протонов часто используется для получения различных радиоактивных изотопов, (как правило это изотопы). Например . Ядерные реакции под действием - частиц во многом схожи с ядерными реакциями под действием протонов.

Реакция деления ядра

Реакция деления ядра заключается в том, что тяжелое ядро под воздействием нейтронов (или других частиц) делится на несколько более легких ядер (чаще всего на два). Возникшие ядра называются осколками. Такое деления ядра сопровождается испусканием двух, трех нейтронов, называемых нейтронами деления. Осколки деления радиоактивны. Рассмотрим причину радиоактивности осколков. Отношение числа нейтронов к числу протонов у урана . В момент образования осколков у них должно быть такое же отношение . Но у стабильных ядер с массовым числом 100-140 (осколки деления имеют массовые числа в этом интервале) отношение , т.е. осколки содержат избыточное число нейтронов. Известно, что ядра с стаб. радиоактивны. Поэтому, осколки могут претерпевать ряд - превращений (при этом нейтроны превращаются в протоны, см.15.6) в результате чего соотношение в осколках становится таким же как и в стабильных изотопах. Запишем реакцию деления

(15.9)

Для характеристики цепной реакции деления вводится понятие коэффициента размножения нейтронов - k. Коэффициент размножения равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Коэффициент размножения определяет быстроту развития цепной реакции. Для развития цепной реакции необходимо, чтобы k . Коэффициент размножения нейтронов зависит от природы делящегося вещества, количества данного изотопа размеров и формы активной зоны. Критическими размерами активной зоны называют минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществить цепную реакцию. Масса делящегося вещества, которая содержится в данной активной зоне, называется критической массой.

Цепные реакции делят на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы- неуправляемая реакция. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

Осн. 3 [231-265], 5 [532-546], 6 [466-496].

Доп. 24 [426-496].

Контрольные вопросы:

1.Приведите аргументы, показывающие, что в составе ядра не может быть электронов.

2. Как доказать зарядовую независимость ядерных сил?

3.Почему энергия, выделяемая при термоядерной реакции, существенно больше энергии, выделяемой при реакциях деления тяжелых ядер?

АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ