Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

закон радиоактивных смещений

Структура содержания Интернет-тренажера по дисциплине «Психология» представляет тематическое наполнение отдельных ее разделов (дидактических единиц) и перечень учебных элементов. Выделенные разделы дисциплины (дидактические единицы), их тематическое раскрытие зафиксированы в структуре и положены в основу содержания тестовых заданий банка дисциплины, используемого для работы в рамках системы «Интернет-тренажеры в сфере образования».

Содержание Интернет-тренажера по дисциплине включает код элемента содержания и наименование элемента содержания (темы задания). Первый разряд в записи кода элемента содержания указывает на номер группы заданий, связанных с уровнем сложности заданий изучаемой дисциплины (2 – базовый). Второй разряд в записи кода элемента содержания указывает на номер дидактической единицы (раздела) дисциплины, а третий разряд идентифицирует номер темы задания. Например, код элемента содержания 2-01-03 указывает на то, что элемент содержания принадлежит базовому уровню, первой дидактической единице (ДЕ) «Введение в психологию» и третьей теме в этой ДЕ, которая называется «Психика: понятие, функции, структура». Все коды элементов содержания и наименования элементов содержания распределяются в предложенном порядке для каждой дидактической единицы.

Перечень учебных элементов отражает требования к знаниям и умениям, которые студент должен приобрести в результате освоения дисциплины или отдельных ее разделов.

закон радиоактивных смещений

Правило смещения Содди для α-распада:

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Правило смещения Содди для β⁻-распада:

Пример (бета-распад трития в гелий-3):

После β⁻-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется

11). В природе существует большое число атомных ядер, которые могут спонтанно излучать элементарные частицы или ядерные фрагменты. Такое явление называется радиоактивным распадом. Этот эффект изучали на рубеже 19-20 веков Антуан Беккерель, Мария и Пьер Кюри, Фредерик Содди, Эрнест Резерфорд и другие ученые. В результате экспериментов, Ф.Содди и Э.Резерфорд вывели закон радиоактивного распада, который описывается дифференциальным уравнением

где N − количество радиоактивного материала, λ − положительная константа, зависящая от радиоактивного вещества. Знак минус в правой части означает, что количество радиоактивного материала N (t) со временем уменьшается (рисунок 1).

Данное уравнение легко решить, и решение имеет вид:

Чтобы определить постоянную C, необходимо указать начальное значение. Если в момент t = 0 количество вещества было N ₀, то закон радиоактивного распада записывается в виде:

Рис.1

Далее мы введем две полезных величины, вытекающие из данного закона.

Периодом полураспада T радиоактивного материала называется время, необходимое для распада половины первоначального количества вещества. Следовательно, в момент T:

Отсюда получаем формулу для периода полураспада:

Среднее время жизни τ радиоактивного атома определяется выражением

Видно, что период полураспада T и среднее время жизни τ связаны между собой по формуле:

Эти два параметра широко варьируются для различных радиоактивных материалов. Например, период полураспада полония-212 меньше 1 микросекунды, а период полураспада тория-232 превышает миллиард лет!

12) Вскоре после открытия А. Беккерелем явления радиоактивности Э. Резерфорд показал, что в результате радиоактивного распада появляются электроны. Это явление было названо β^--распадом. (В 1934 г. Ирэн и Жолио Кюри обнаружили явление β⁺-распада, сопровождающееся появлением в результатеβ⁺-распада позитронов.) Изучение явления β-распада привело к неожиданному результату. Оказалось, что и электроны, и позитроны имеют непрерывный спектр энергий. Для объяснения этого явления В. Паули предположил, что процесс β-распада сопровождается появлением не одной наблюдаемой заряженной частицы электрона (β^--распад) или позитрона (β⁺‑распад), а двух. Вторую частицу сложно обнаружить, т.к. она имеет маленькую массу и нулевой электрический заряд. Эта частица вначале была названа нейтроном, но после открытия нейтронов в составе атомного ядра была по предложению В. Паули переименована в нейтрино, что в переводе с итальянского означает «маленькая нейтральная частица». Образование нейтрино в результате β‑распада спасло казавшиеся нарушенными законы сохранения энергии и импульса. Нейтрино имело квантовое число спин s = 1/2 и уносило недостающую часть энергии и импульса. Предсказанные Паули нейтрино появлялись как в результате β^-‑распада, так и в результате β⁺‑распада. Как и предсказал В.Паули, обнаружение нейтрино оказалось очень сложной задачей. Лишь в 1956 г. Ф. Райнесу и К. Коэну удалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Были зарегистрированы антинейтрино, образующиеся в ядерном реакторе в результате деления атомных ядер. Как и предсказал В. Паули нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ≈ 10^-43 см².Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции _e + p → e⁺ + n.

13). Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

· по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;

· по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольтов), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;

· по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);

· по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испускании одинго или нескольких γ-квантов).

14). Дираком было получено (1928) релятивистское волновое уравнение для электрона, которое позволило объяснить все основные свойства электрона, в том числе наличие у него спина и магнитного момента. Замечательной особенностью уравнения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, но и отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электрона — позитрона.

Гипотеза Дирака, недоверчиво воспринимавшаяся большинством физиков, была блестяще подтверждена в 1932 г. К. Андерсеном (американский физик (р. 1905); Нобелевская премия 1936 г.), обнаружившим позитрон в составе космического излучения. Существование позитронов было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Эти частицы в камере отклонялись так,какотклоняется движущийся положительный заряд. Опыты показали, что позитрон е — частица с массой покоя, в точности равной массе покоя электрона, и спином ½ (в единицах ), несущая положительный электрический заряд + е.

Жолио-Кюри — Фредерик (1900—1958) и Ирен (1897—1956), — бомбардируя различные ядра a -частицами (1934), обнаружили искусственно-радиоактивные ядра, испытывающие b ^–-распад, а реакции на В, Аl и Mg привели к искусственно-радиоактивным ядрам, претерпевающим b ⁺-распад, или позитронный распад:

(Нобелевская премия 1956 г.) Наличие в этих реакциях позитронов доказано при изучении их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле.

Таким образом, в экспериментах Жолио-Кюри, с одной стороны, открыта искус­ственная радиоактивность, а с другой — впервые обнаружен позитронный радиоактив­ный распад.

Энергетический b ⁺-спектр, как и b ^–-спектр, непрерывен. b ⁺-Распад подчиняется следующему правилу смещения:

Процесс b ⁺-распада протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

(263.1)

причем одновременный выброс нейтрино вытекает из тех же соображений, которые излагались при обсуждении b ^–-распада. Так как масса покоя протона меньше, чем у нейтрона, то реакция (263.1) для свободного протона наблюдаться не может. Однако для протона, связанного в ядре благодаря ядерному взаимодействию частиц, эта реакция оказывается энергетически возможной.

Вскоре после опытов К. Андерсена, а также обоснования b ⁺-распада было устано­влено, что позитроны могут рождаться при взаимодействии g -квантов большой энер­гии (Е _g > 1,02 МэВ = 2 m_eс ²) с веществом. Этот процесс идет по схеме

(263.2)

Электронно-позитронные пары были действительно обнаружены в помещенной в магнитное поле камере Вильсона, в которой электрон и позитрон, имеющие противоположные по знаку заряды, отклонялись в противоположные стороны.

Для выполнения соотношения (263.2) помимо выполнения законов сохранения энергии и импульса необходимо, чтобы фотон обладал целым спином, равным 0 или 1, поскольку спины электрона и позитрона равны ½. Ряд экспериментов и теоретических выкладок привели к выводу, что спин фотона действительно равен 1 (в единицах ).

При столкновении позитрона с электроном происходит их аннигиляция:

(263.3)

в ее процессе электронно-позитронная пара превращается в два g -кванта, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух g -квантов следует из закона сохранения импульса и энергии. Реакция (263.3) подтверждена прямыми экспериментами под руководством российского ученого Л. А. Арцимовича (1909—1973). Процессы (263.2) и (263.3) — процессы возникновения и превращения электронно-позитронных пар — являются примером взаимосвязи различных форм ма­терии: в этих процессах материя в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля, и наоборот.

Для многих ядер превращение протона в нейтрон, помимо описанного процесса (263.1), происходит посредством электронного захвата, или е -захвата, при котором ядро спонтанно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (К, L и т. д.), испуская нейтрино:

Необходимость появления нейтрино вытекает из закона сохранения спина. Схема е -захвата:

т. е. один из протонов ядра превращается в нейтрон, заряд ядра убывает на единицу и оно смещается влево так же, как и при позитронном распаде.

Электронный захват обнаруживается по сопровождающему его характеристическому рентгеновскому излучению, возникающему при заполнении образовавшихся ва­кансий в электронной оболочке атома (именно так е -захват и был открыт в 1937 г.). При е -захвате, кроме нейтрино, никакие другие частицы не вылетают, т. е. вся энергия распада уносится нейтрино. В этом е -захват (часто его называют третьим видом b -распада) существенно отличается от b ^±-распадов, при которых вылетают две частицы, между которыми и распределяется энергия распада. Примером электронного захвата может служить превращение радиоактивного ядра бериллия Ве в стабильное ядро Li:

15) Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции. Рассмотрим сначала свойства нейтрона.
Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.
В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была определена.

α + Be → нейтральное излучение

. В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.

α + Be → парафин → p

Регистрировались протоны отдачи с Е_р = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием каких частиц они образовывались?
Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Е_γ должна была быть ~ 50 МэВ. γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.
Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота. Он сравнил эти результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов сохранения энергии

и импульса

m₁v = m₁v₁ + m_pv_p;

где N − ядро азота; v₁ − скорость нейтральной частицы после столкновения; m₁ − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона

m₁ ≈ m_p.

Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:

α + ⁹Ве → ¹²С+ n.

Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Е_р = 4.3 МэВ.

Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:
масса − m_nc² = 939.5 МэВ, m_n = 1.008665 а. е. м.,
магнитный момент − μ_n = −1.91μ_я,
спин − J = ћ/2,
время жизни − τ_n = (10.61 ±0.16) мин,
среднеквадратичный радиус − <r_n²> = (0.78 ± 0.18)·10^-2 фм².

Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.

Источники нейтронов 1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция

α + ⁹Ве → ¹²С+ n + 5.5 МэВ.

Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру
(рис. 88).
При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они вступают в реакцию с ⁹Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода ¹²C образуется в основном и возбужденном состояниях.
Выход нейтронов ~ 10⁷ нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.

2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.

γ + ²H → p + n, Q = -2.23 МэВ.

Используется ThC" (²⁰⁸Tl). Он испускает γ-кванты с Е_γ ~ 2.62 МэВ и Е_n ~ Е_р; Т_n ~20 кэВ.

3. Фоторасщепление Be фотонами с энергией Е_γ = 1.78 МэВ

γ + ⁹Ве → ⁸Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Т_n ~ 100 кэВ.

4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с E_d = 16 МэВ в реакции

²H + ⁹Be → ¹⁰B + n + 4.3 МэВ.

Е_n = 4 МэВ, выход 10⁶ нейтронов в секунду.

5. Реакция ²H + ²H → ³Не + n + 3.2 МэВ,
D + D (лед из тяжелой воды), i?n = 2.5 МэВ.

6. Облучение дейтонами трития

²H + ³H → ⁴Не + n + 17.6 МэВ.

Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии E_d = 0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Е_n ~ 14 МэВ.
Этот источник нейтронов используется в геологии.

7. В реакциях срыва под действием дейтонов с E_d ~ 200 МэВ на тяжелых ядрах образуются n с
Е_n ~ 100 МэВ.