Физика атомного ядра. Свойства и строение атомных ядер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физика атомного ядра. Свойства и строение атомных ядер

Содержание

1. Заряд и масса атомных ядер

2. Состав ядра

2.1 Схема атома водорода

3. Энергия связи ядра. Дефект массы. Ядерные силы

4. Ядерные реакции

4.1 Реакция превращения

4.2 Реакция радиационного захвата

4.3 Рассеяние

4.4 Реакция деления

5. Радиоактивность

5.1 Естественная радиоактивность

5.2 Основной закон радиоактивного распада

1. Заряд и масса атомных ядер

Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд и масса М. Z- заряд ядра определяется количеством положительных элементарных зарядов сосредоточенных в ядре. Носителем положительного элементарного заряда р = 1,6021·10^-19 Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален и заряд ядра определяет одновременно число электронов в атоме. Распределение электронов в атоме по энергетическим оболочкам и подоболочкам существенно зависит от их общего числа в атоме. Поэтому заряд ядра в значительной мере определяет распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в периодической системе Менделеева. Заряд ядра равен q_я = z·e, где z -зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента в системе Менделеева.

Масса атомного ядра практически совпадает с массой атома, потому что масса электронов всех атомов, кроме водородного, составляет примерно 2,5· 10^-4 массы атомов. Массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 масса атома углерода .

1 ае.м. =1,6605655(86)·10^-27 кг.

m_я = m_a - Z m_e.

Изотопами, называются разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым зарядом, но различающееся массой.

Целое число ближайшее к атомной массе, выраженной в а.е.м. называется массовым числом и обозначается буквой А. Обозначение химического элемента: А - массовое число, X - символ химического элемента, Z -зарядовое число - порядковый номер в таблице Менделеева (): Бериллий ; Изотопы: , ', .

Радиус ядра:

где А - массовое число.

2. Состав ядра

Ядро атома водорода называется протоном

m_{протона} = 1,00783 а.е.м., .

2.1 Схема атома водорода

В 1932 г. была открыта частица названная нейтроном, обладающая массой близкой к массе протона (m_{нейтрона} = 1,00867 а.е.м.) и не имеющая электрического заряда. Тогда же Д.Д. Иваненко сформулировал гипотезу о протонно - нейтроном строении ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов и их сумма равна массовому числу А. 3арядовое число Z определяет число протонов в ядре, число нейтронов N =А - Z.

Элементарные частицы - протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, получили общее название нуклонов. Нуклоны ядер находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Между нуклонами осуществляется особое ядерное взаимодействие. Говорят, что нуклон может находиться в двух "зарядовых состояниях" - протонном с зарядом +е, и нейтронном с зарядом 0.

ядро атом реакция радиоактивный

3. Энергия связи ядра. Дефект массы. Ядерные силы

Ядерные частицы - протоны и нейтроны - прочно удерживаются внутри ядра, поэтому между ними действуют очень большие силы притяжения, способные противостоять огромным силам отталкивания между одноименно заряженными протонами. Эти особые силы, возникающие на малых расстояниях между нуклонам, называются ядерными силами. Ядерные силы не являются электростатическими (кулоновскими).

Изучение ядра показало, что действующие между нуклонами ядерные силы обладают следующими особенностями:

а) это силы короткодействующие - проявляющееся на расстояниях порядка 10^-15 м и резко убывающие даже при незначительном увеличения расстояния;

б) ядерные силы не зависят от того, имеет ли частица (нуклон) заряд - зарядовая независимость ядерных сил. Ядерные силы, действующие между нейтроном и протоном, между двумя нейтронами, между двумя протонами равны. Протон и нейтрон по отношению к ядерным силам одинаковы.

Энергия связи является мерой устойчивости атомного ядра. Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии

М_Я < У(m_p + m_n)

Мя - масса ядра

Измерение масс ядер показывает, что масса покой ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов.

Величина

служит мерой энергия связи и называется дефектом массы.

Уравнение Эйнштейна в специальной теории относительности связывает энергию и массу покоя частицы.

В общем случае энергия связи ядра может быть подсчитана по формуле

где Z - зарядовое число (число протонов в ядре);

А - массовое число (общее число нуклонов в ядре);

m_p,, m_n и М_я - масса протона, нейтрона а ядра

Дефект массы (Дm) равны.й 1 а.е. м. (а.е.м. - атомная единица массы) соответствует энергий связи (Е_св), равной 1 а.е.э. (а.е.э. - атомная единица энергии) и равной 1а.е.м.·с ² = 931 МэВ.

4. Ядерные реакции

Изменения ядер при взаимодействии их с отдельными частицами и друг с другом принято называть ядерными реакциями.

Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные реакции.

4.1 Реакция превращения

В этом случае налетевшая частица остается в ядре, но промежуточное ядро испускает какую-либо другую частицу, поэтому ядро - продукт отличается от ядра-мишени.

4.2 Реакция радиационного захвата

Налетевшая частица застревает в ядре, но возбужденное ядро испускает избыточную энергию, излучая г- фотон (используется в работе ядерных реакторов)

Пример реакции захвата нейтронов кадмием

или фосфором

4.3 Рассеяние

Промежуточное ядро испускает частицу, тождественную с налетевшей, причем может быть:

упругое рассеяние, при котором

;

неупругое рассеяние, при котором

.

Упругое рассеяние нейтронов углеродом (используется в реакторах для замедления нейтронов):

Неупругое рассеяние:

4.4 Реакция деления

Это реакция, идущая всегда с выделением энергии. Она является основой для технического получения и использования ядерной энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного составного ядра столь велико, что оно делится на два, примерно равных осколка, с выделением нескольких нейтронов.

Если энергия возбуждения невелика, то разделение ядра не происходит, а ядро, потеряв избыток энергии путем испускания г - фотона или нейтрона, возвратится в нормальное состояние (рис. 1). Но если вносимая нейтроном энергия велика, то возбужденное ядро начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с огромными скоростями, при этом испускается два нейтрона (рис. 2).

Цепная реакция - саморазвивающаяся реакция деления. Для осуществления её необходимо, чтобы из вторичных нейтронов, образующихся при одном акте деления, хотя бы один смог вызвать следующий акт деления: (так как некоторые нейтроны могут участвовать в реакциях захвата не вызывая деления). Количественно условие существования цепной реакции выражает коэффициент размножения:

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m_кр) - цепная реакций с постоянным количеством нейтронов (в ядерном реакторе}, k > 1 (m > m_кр) - ядерные бомбы.

5. Радиоактивность