Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Теоретические сведения.




Первое явление из области ядерной физики было открыто А. Беккерелем в 1896 году. Это было явление естественной радиоактивности. Оно заключается в самопроизвольном испускании некоторыми (радиоактивными) веществами невидимых лучей. Радиоактивным веществом А. Беккерелю служила соль урана. Через два года П. Кюри и М. Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория. Детальное экспериментальное исследование радиоактивности было проведено Э. Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех типов невидимых глазом лучей, названных альфа-, бета- и гамма-лучами. Бета-лучи (b-лучи) состоят из отрицательно заряженных электронов; альфа-лучи (a-лучи) – из положительно заряженных частиц, масса которых примерно равна массе атомов гелия; гамма-лучи (g-лучи) не обладают зарядом, они представляют собой электромагнитное излучение (фотоны) с очень малой длиной волны (l<10-12м). Наименьшей проникающей способностью и наибольшим ионизирующим действием обладают a-лучи. Наоборот, g-лучи обладают наибольшей проникающей способностью и наименьшим ионизирующим действием. Ядерная природа радиоактивности была понята Э. Резерфордом после того, как в 1911 году он предложил планетарную модель атома (см. тему № 6) и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра. С этого момента и ведет свое начало ядерная физика.

В 1919 году Э. Резерфорд наблюдал в экспериментах ядра водорода, выбитые a-частицами из ядер других атомов. Заряд ядра любого атома в целоечисло раз больше заряда ядра водорода, то же самое можно сказать и о массе. Поэтому Э. Резерфорд пришел к заключению, что ядра водорода представляют собой частицы вещества, которые входят в состав любого атомного ядра. В начале 1920-х гг. Э. Резерфорд назвал эти частицы протонами (обозначается символом p). Масса протона mp=1,67×10-27 кг, т. е. в 1836 раз больше массы электрона me. Протон имеет положительный заряд + e (e =1,6×10-19 Кл – элементарный заряд) и является стабильной частицей. Долгое время предполагалось, что атомные ядра различных химических элементов помимо положительно заряженных протонов должны содержать отрицательно заряженные электроны (наличием электронов в ядре пытались объяснить, в частности, существование b-лучей, излучаемых радиоактивными веществами). Согласно электронно-протонной модели, ядро состоит из A протонов и C электронов, так что зарядовое число, определяющее заряд ядра, равно Z=A – C. В пользу электронно-протонной модели свидетельствовали малые размеры атомного ядра (10-15 - 10-14 м – см. тему № 6). Однако эта модель не смогла объяснить экспериментальные факты, относящиеся к спинам и магнитным моментам ядер. Кроме того, присутствие электронов внутри ядра оказалось невозможным совместить с принципом неопределенности Гейзенберга (см. тему № 5). Таким образом, испускаемые радиоактивными веществами b-лучи, нельзя объяснить существованием электронов внутри атомных ядер. Электроны не содержатся в исходных ядрах, а образуются в них в ходе радиоактивных процессов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл еще одну частицу вещества – нейтрон (обозначается символом n). Нейтроны вылетали из ядер бериллия при бомбардировке их a-частицами. Масса нейтрона mn примерно равна массе протона mp ( <<mp), однако в отличие от протона нейтрон не имеет электрического заряда. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (а также электронное антинейтрино – см. далее).

В 1932 году Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра, которая остается общепризнанной и в настоящее время. Согласно этой модели атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Число протонов Z называют зарядовым числом, так как оно определяет заряд ядра, равный +Ze. Число Z называют также атомным номером, поскольку оно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Таким образом, именно число протонов в ядре (т. е. заряд ядра, а не масса атома, как это было у Д. И. Менделеева) определяет положение химического элемента в периодической таблице. Общее число протонов и нейтронов A=Z+N называют массовым числом, так как оно определяет массу ядра и всего атома в целом (масса атома примерно равна массе ядра , потому что суммарной массой электронов по сравнению с mя можно пренебречь – см. тему № 6).

Для обозначения атомных ядер применяется символ , где под X подразумевается химический символ данного элемента. Ядра с одинаковым числом протонов Z, но с разным числом нейтронов N называют изотопами. Большинство химических элементов имеют по нескольку стабильных изотопов. Например, водород имеет три изотопа:

- обычный водород или протий (Z=1, N=0),

- тяжелый водород или дейтерий (Z=1, N=1),

- тритий (Z=1, N=2).

Дейтерий обозначают также символом D, а тритий – символом T. Протий и дейтерий стабильны, а тритий радиоактивен. Ядра с одинаковым числом нейтронов N, но с разным числом протонов Z называют изотонами. Например, изотоны углерод и азот имеют по 7 нейтронов. В отличие от изотопов изотоны принадлежат разным химическим элементам. Ядра с разным числом нейтронов N и протонов Z, но с одинаковым массовым числом A называют изобарами.Например, изобарами являются аргон (Z=18, N=22, A=40) и кальций (Z=20, N=20, A=40).

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от1 (водород) до 92 (уран), исключая технеций (Z=43) и прометий (Z=61). Плутоний (Z=94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые элементы (т. е. элементы с Z>92) были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций. Один из таких искусственно синтезированных элементов имеет максимальный (на сегодняшний день) атомный номер Z=118. Всего (с учетом существования у химических элементов различных изотопов) известно около 1500 ядер.

Ядро атома – это квантовая система, состоящая, как правило, из большого числа нуклонов (нуклон – общее наименование для протона и нейтрона). Нуклоны в ядре связаны между собой ядерным (сильным – см. далее), электромагнитным, а в некоторых случаях и слабым взаимодействием. Теоретическое моделирование такой системы является весьма сложной задачей. Для такого моделирования необходима релятивистская квантовая теория элементарных частиц, которая в завершенном виде пока не сформулирована. Более или менее точными являются только модели простейших ядер – водорода, гелия и их изотопов. В других случаях приходится использовать лишь приближенные модели, ни одна из которых не может дать исчерпывающего описания ядра. В начале 1930-х годов учеными была разработана одна из таких приближенных моделей – оболочечная модель атомного ядра (М. Гепперт-Майер, Й. Х. Йенсен и другие). Эта модель исходит из того, что в ядре нуклоны могут образовывать заполненные оболочки, так же как электроны заполняют оболочки атома (см. тему № 7). Таким образом, ядро представляет собой иерархию оболочек, заполняемых протонами и нейтронами. Когда очередная оболочка полностью заполняется нуклонами, происходит скачкообразное изменение характеризующих ядро величин. Это создает подобие периодичности в свойствах ядер в зависимости от их массового A и зарядового Z чисел, аналогичное периодическому закону для атомов. Полностью заполненная оболочка представляет особо устойчивое образование. В соответствии с опытом особо устойчивыми оказываются ядра, у которых число протонов Z, либо число нейтронов N равно

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Эти числа получили название магических. Ядра, у которых число протонов Z, либо число нейтронов N является магическим числом, называются магическими, т. е. особо устойчивыми ядрами. Ядра, у которых магическими являются числа и Z, и N, называются дважды магическими. Дважды магических ядер известно всего пять:

(Z=2, N=2), (Z=8, N=8), (Z=20, N=20), (Z=20, N=28), (Z=82, N=126).

Особенная устойчивость дважды магического ядра гелия проявляется, в частности, в том, что это единственная составная, а не элементарная частица, испускаемая тяжелыми ядрами при радиоактивном распаде (см. далее).

В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

(м). (1)

Из (1) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре A. Поскольку масса ядра также пропорциональна A, то плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Все нуклоны удерживаются в очень малом объеме внутри ядра, несмотря на мощное кулоновское отталкивание между протонами (все протоны имеют положительный заряд и поэтому должны отталкиваться друг от друга). Это указывает на то, что внутри ядра между нуклонами имеется очень интенсивное притяжение, значительно превышающее кулоновское отталкивание между протонами. Взаимодействие между нуклонами, удерживающее их внутри ядра, называют сильным или ядерным взаимодействием. Отличительными особенностями этого взаимодействия являются:

1. высокая интенсивность;

2. короткодействующий характер – радиус действия ядерных сил не превышает размеров ядра (10-15 - 10-14 м);

3. зарядовая независимость – ядерное взаимодействие между нуклонами не зависит от заряда нуклонов (силы взаимодействия между двумя протонами, между двумя нейтронами, между нейтроном и протоном имеют одинаковую величину);

4. насыщаемость – каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом других нуклонов;

5. зависимость ядерных сил от взаимной ориентации спинов нуклонов;

6. обменный характер – ядерные силы между нуклонами возникают благодаря обмену между ними так называемыми виртуальными частицами. В случае ядерного взаимодействия между нуклонами такими частицами являются виртуальные p-мезоны. Взаимодействие возникает благодаря тому, что один из нуклонов испускает виртуальный p-мезон, который практически тут же поглощается другим нуклоном.

Из-за сильного (ядерного) взаимодействия нуклоны прочно удерживаются внутри ядра. Мерой прочности ядра является энергия связи Eсв – т. е. работа, которую необходимо произвести, чтобы полностью расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны. Энергия связи определяется энергиями покоя (см. тему № 4) ядра и образующих его частиц:

, (2)

где c – скорость света в вакууме. Из формулы (2) следует, что суммарная масса протонов и нейтронов, составляющих ядро, т. е. величина , не должна быть в точности равна массе mя самого ядра (иначе энергия связи была бы равна нулю и нуклоны не смогли удерживаться внутри одного ядра). Разность

(3)

называют дефектом масс. Дефект масс – следствие утраты части энергии нуклонами (например, за счет излучения фотонов) в процессе формирования ядра. Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно лишь, сообщив ему извне энергию не менее той, что выделилась в процессе образования ядра. Это и есть энергия связи. В соответствии с формулой , уменьшение энергии системы при образовании ядра неизбежно приводит к уменьшению общей массы. Такое изменение массы происходит при любых процессах, связанных с передачей энергии, но в повседневной действительности оно малозаметно. Однако в ядерных явлениях оно весьма значительно и достигает 1% массы ядра. Поэтому в ядерных реакциях закон сохранения массы не выполняется (в отличие от химических реакций, в которых энергия связи значительно меньше и дефектом масс можно пренебречь).

Отношение , т. е. среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи.С ростом A удельная энергия связи сначала резко увеличивается, а затем постепенно уменьшается (см. график). Такая зависимость делает энергетически выгодными два процесса:

1. деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер;

2. слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.

Оба процесса сопровождаются выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра с массовым числом A=240 (удельная энергия связи равна 7,5 МэВ – см. график) на два ядра с массовыми числами A=120 (удельная энергия связи равна 8,5 МэВ) привело бы к высвобождению (8,5-7,5)×240=240 МэВ энергии. Слияние двух ядер дейтерия в ядро гелия привело бы к выделению энергии 24 МэВ (для сравнения укажем, что при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода при сгорании угля до CO2 выделяется энергия порядка 5 эВ).

Деление ядер было обнаружено в 1939 году, когда немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман однозначно доказали, что в результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра с массами и зарядами примерно вдвое меньшими, чем масса и заряд ядра урана. Примером может служить реакция деления ядра урана-235 под действием нейтрона:

.

Для нейтрона A=1, Z=0 (нейтрон не имеет заряда). Обратите внимание, что суммарные значения числа Z (и числа A) для частиц, входящих в левую и правую части уравнения реакции, одинаковы (Zсум=92, Aсум=236). Этот факт является отражением законов сохранения.

Испускание при делении ядер , , нескольких нейтронов (см. уравнение реакции) делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Испущенные при делении одного ядра b нейтронов могут вызвать деление b ядер, в результате будет испущено b2 новых нейтронов, которые вызовут деление следующих b2 ядер, и т. д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, и число делящихся ядер нарастает в геометрической прогрессии. Если накапливающийся поток нейтронов не регулировать (не тормозить нейтроны), то реакция деления будет носить взрывной неуправляемый характер – произойдет ядерный взрыв. На этом основано действие атомной бомбы. Но поток нейтронов можно регулировать с помощью особых замедлителей, не допуская его бесконтрольного нарастания. В таком случае экзотермическая (т. е. протекающая с выделением энергии) реакция деления становится управляемой. Именно такие управляемые реакции деления ядер лежат в основе работы ядерных реакторов на атомных электростанциях. Основой современной ядерной энергетики служит деление ядер , под действием нейтронов.

Реакции деления ядер могут протекать не только вследствие их бомбардировки нейтронами, но также под действием других частиц (протонов, a-частиц, g-квантов и др.). Деление ядер, происходящее под действием различных частиц, называют вынужденным. В 1940 году К. А. Петржак и Г. Н. Флеров открыли самопроизвольное (спонтанное) деление ядер, которое является одним из видов радиоактивности (см. далее).

Для синтеза (слияния) легких ядер в одно ядро они должны подойти друг к другу на расстояние порядка 10-15 м (в этом случае между нуклонами ядер начинает действовать интенсивное ядерное притяжение (см. выше) и они способны слиться одно ядро). Такому сближению ядер препятствует кулоновское отталкивание между ними. Для того чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны двигаться с огромными скоростями, которым соответствуют очень высокие температуры. По этой причине процесс синтеза легких ядер протекает только при высоких температурах (107 – 108 К) и называется термоядерной реакцией. Примером может служить реакция синтеза ядер дейтерия и трития:

.

Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и других звезд, где температуры достигают очень высоких значений. В земных условиях управляемый термоядерный синтез пока не реализован. В водородной бомбе (не путать с атомной бомбой) термоядерная реакция носит неуправляемый характер. Первый термоядерный взрыв был осуществлен в СССР в 1953 году.

Деление и синтез ядер – являются примерами ядерных реакций. Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Таким образом, для протекания ядерной реакции требуется внешнее воздействие на атомное ядро других частиц (например, нейтронов) или ядер. В отличие от ядерных реакций, самопроизвольное превращение (преобразование) одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц или ядер, называется радиоактивностью. Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных в ядерных реакциях, называется искусственной. Между естественной и искусственной радиоактивностью нет принципиального различия. Оба процесса подчиняются закону радиоактивного превращения:

. (4)

Здесь N0 – начальное число ядер, N – число ядер, которые не успели распасться (т. е. превратиться в другие ядра) к моменту времени t, l - постоянная радиоактивного распада. Согласно формуле (4) число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте. Время T, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада. Из (4) следует, что

. (5)

Активностью радиоактивного вещества называется число распадов в единицу времени. Активность вещества равна:

. (6)

Таким образом, активность тем выше, чем больше N радиоактивных ядер содержится в веществе и чем больше его постоянная распада l.

К числу радиоактивных процессов относятся уже упоминавшиеся a-распад, b-распад, g-излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, а также протонная радиоактивность.

Альфа-распад – это испускание атомным ядром a-частиц, т. е. ядер гелия . Альфа-распад протекает по схеме:

,

где X и Y – химические символы материнского (распадающегося) и дочернего (образующегося) ядра соответственно. Этот вид распада наблюдается только у самых тяжелых ядер и некоторых редкоземельных элементов.

Бета-распад наблюдается у всех нестабильных изотопов и существуют в трех разновидностях.

1. Электронный распад или b--распад заключается в превращении одного из нейтронов ядра в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино . Электрон имеет отрицательный заряд, по модулю равный заряду протона, поэтому для электрона зарядовое число Z= -1; заряд антинейтрино равен нулю, а значит для антинейтрино Z=0. Так как электрон и антинейтрино не являются нуклонами, то для них A=0 (уменьшением массы ядра в процессе b--распада можно пренебречь, так как массой электрона (и тем более электронного антинейтрино) по сравнению массой нуклонов можно пренебречь). С учетом сказанного схема b--распада имеет вид:

.

2. Позитронный распад или b+-распад заключается в превращении одного из протонов ядра в нейтрон с испусканием позитрона (позитрон – это античастица электрона с массой равной массе электрона и противоположным по знаку зарядом) и электронного нейтрино . Этот вид распада протекает по схеме:

(учли, что для позитрона Z=1). Следует отметить, что протон может превратиться в нейтрон, только находясь внутри атомного ядра. Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, поскольку масса протона (а значит и энергия покоя протона) несколько меньше массы нейтрона. Свободный протон, как уже отмечалось, является стабильной частицей. Позитронный распад был открыт И. и Ф. Жолио-Кюри в 1934 году.

3. Электронный захват заключается в том, что атомное ядро поглощает электрон с одного из внутренних слоев своего атома. В результате один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино . Схема электронного распада имеет вид:

Если ядро захватывает электрон с K-слоя атома (см. тему № 7), то электронный захват называют K-захватом. K-захват был открыт Альварецом в 1937 году. Реже захват электрона происходит с L-слоя атома (L-захват) или с M-слоя (M-захват).

Гамма-излучение ядер представляет собой электромагнитное излучение (фотоны с очень малой длиной волны), возникающее при переходе атомных ядер из возбужденных состояний в более низкие энергетические состояния. При этом число протонов и нейтронов в ядре не изменяется, т. е. числа Z и A остаются неизменными.

Спонтанное деление ядер заключается в делении ядер на осколки сравнимой массы с одновременным испусканием нейтронов и g-квантов.

Протонная радиоактивность заключается в том, что ядро излучает один или два протона (для протона Z=A=1), превращаясь при этом в другое ядро. Этот вид радиоактивности впервые наблюдался в 1963 году группой советских физиков под руководством Г. Н. Флерова.


Поделиться:

Дата добавления: 2015-09-15; просмотров: 64; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.007 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты