Читайте также:
|
Преподаватель В.Е. Войконов
Лекция № 8
Физика атомного ядра и элементарных частиц
Состав атомного ядра
Ядра атомов состоят из двух видов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.
Протон, как мы уже знаем, есть ни что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом 
и массой 
МЭВ (в ядерной физике массу выражают в единицах энергии, умножая ее на с2 . 1,66* 10-24 г ≈ 931 МЭВ).
Нейтрон – это частица, не обладающая электрическим зарядом, с массой 
МЭВ. Масса нейтрона очень близка к массе протона. В свободном состоянии нейтрон радиоактивен. Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, и испускает электрон и антинейтрино
.
Заряд и масса ядра
Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд и масса. Количество протонов, входящих в состав ядра, определяет его заряд. Следовательно, заряд ядра равен Ze, где Z – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. В ядерной Физике число Z называется атомным номером элемента.
Ранее мы ввели понятие массового числа, понимая под этим атомный вес элемента, округленный до ближайшего целого числа. Большинство химических элементов имеет по нескольку разновидностей, имеющих одинаковый заряд и отличающихся значениями массового числа. Эти разновидности носят название изотопов. Так, например, у водорода имеется три изотопа: обычный водород 
, дейтерий 
и тритий 
.
Ядра с одинаковым массовым числом, но с разными зарядами, называются изобарами. Изобарами являются 
и 
.
Ядра, имеющие одинаковые заряды и массовые числа, но отличающиеся между собой периодом полураспада, называются изомерами. Так, например, имеется два изомера ядра 
. У одного из них период полураспада составляет 18 мин., а у другого – 4,4 часа.
Массовое число определяет число нуклонов в ядре, т.е. суммарное число протонов и нейтронов. Количество протонов, содержащихся в ядре, равно атомному номеру элемента. Следовательно, число нейтронов, содержащихся в ядре, равно N = A – Z.
Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотонов. Примером их могут служить ядра элементов 
, 
и т.д.
Масса атомного ядра практически совпадает с массой всего атома, т.к. масса электронов, содержащихся в атоме, ничтожно мала. Массу атомов измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.).
1 а.е.м. = 1/16 массы атома кислорода = 1,6597 *10 -27 кг.
Помимо атомной единицы массы, в настоящее время применяется унифицированная атомная единица массы. Обозначается, как у.а.е.м.
1 у.а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода 
= 1,66 *10 -27 кг.
Спин и магнитный момент ядра
Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 
. Следовательно, спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов, является целым числом, которое кратно 
. Спин ядра, состоящего из нечетного числа нуклонов, равен полуцелому числу 
.
Спины ядер, в общем случае, не превышают нескольких единиц. Это говорит о том, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно.
Атомные ядра, помимо спина, обладают магнитным моментом. Магнитный момент ядра, складываясь с моментом электронной оболочки, дает полный момент импульса атома. В результате взаимодействия магнитного момента ядра с моментом электронной оболочки наблюдается сверхтонкое расщепление спектральных линий. По наблюдаемому на опыте соотношению интенсивностей этих линий можно определить магнитный момент ядра. Величина его оказалась равной (1,41049 ± 0,00013)*10 – 26 Дж/Тл. Для сравнения следует отметить, что магнитный момент электрона в 657 раз больше магнитного момента ядра.
Для ядер, которые содержат четное число электронов, спины электронов внутри ядер попарно компенсируются. Для ядер, у которых число электронов нечетное, такую компенсацию получить нельзя. Вместе с тем, соотношение величин магнитных моментов ядра и электронов в таких веществах такое же, как и в веществах, имеющих четное число электронов.
Эти противоречия были разрешены в результате открытия нейтрона. В1934 г. Д.Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов. Эта же гипотеза была высказана Гейзенбергом и подробно разработана им количественно.
Представление о протонно-нейтронном составе атомных ядер подтверждено большим количеством экспериментального материала и в наши дни является общепризнанным. Такая модель ядра показывает, что в отличии от протона, магнитный и механический моменты нейтронов, направлены в противоположные стороны. Магнитные моменты протона и нейтрона по порядку величины сравнимы между собой. Поэтому ядра, построенные из нуклонов, должны иметь магнитные моменты такого же порядка величин. Опыты подтверждают это.
Масса и энергия связи ядра
Ядра, содержащие положительно заряженные протоны и нейтроны, лишенные заряда, представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами существует кулоновское отталкивание. Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах тоже есть связь.
Введем понятие об энергии связи нуклона. Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра.
Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться та же энергия, которую необходимо затратить при расщеплении ядра.
Оценим энергию связи атомных ядер.
Измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов. Это объясняется выделением энергии связи при образовании ядра.
Энергия покоя связана с массой покоя тела соотношением
,
где с – скорость света в вакууме.
Энергия связи, выделяющаяся при образовании ядра, соответственно равна
,
где Δm – уменьшение суммарной массы покоя при образовании ядра из нуклонов.
Если ядро с массой М образовано из Z протонов и (A-Z) нейтронов, то величина Δm равна
,
где mp и mn -масса протона и нейтрона.
Тогда 
.
В практических расчетах, наряду с энергией связи, применяется величина так называемого дефекта массы. Дефект массы – это разность между массой атома, измеренной в атомных единицах массы и массовым числом, т.е.
,
где Х - символ элемента;
А – массовое число.
Дефект массы кислорода равен нулю, т.к. его масса, выраженная в атомных единицах массы, равна массовому числу.
В ядерной физике вводится понятие об удельной энергии связи в ядре.
Удельная энергия связи в ядре – это энергия, приходящаяся на один нуклон.
Кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа приведена ниже.
Как следует из графика, наиболее прочно связаны нуклоны в ядрах, имеющих массовое число, изменяющееся в пределах 28<А<138, что соответствует элементам, лежащим в середине таблицы Менделеева от 
до 
.
На основе рассмотрения этого графика можно представить механизм выделения ядерной энергии. Энергия выделяется только при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реакции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это возможно лишь при делении тяжелых ядер на части, лежащие в середине таблицы Менделеева, или при синтезе легких ядер, лежащих в начале таблицы, из еще более легких.
Подробнее эти вопросы будут рассмотрены нами далее.
Ядерные силы
Силы, действующие между уклонами в ядре, называются ядерными.
Ядерные силы – силы притяжения. Ядерное притяжение гораздо сильнее электростатического отталкивания
Протонов. Ядерные силы по своей природе являются особыми силами, отличными от всех известных нам ранее сил. Основными особенностями этих сил являются:
1. Ядерные силы являются короткодействующими. При расстояниях, превышающих 2*10 -13 см, действие их уже не обнаруживается; при расстояниях, меньших 1*10 -13 см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.
2. Ядерное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протонов и нейтроном или двумя нейтронами – одинаковы по величине. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.
3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе только в том случае, если их спины параллельны друг другу.
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Оно проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с ближайшими соседями. Это свойство вытекает из того, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, примерно одинаковая для всех ядер. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов.
Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле. Это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии или фотонов. Процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами заключается в обмене фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны.
Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными (реальными) фотонами, а виртуальными (воображаемыми).
В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Чтобы лучше понять смысл этого термина, рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания поля этим электроном можно описать уравнением
.
Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое этим уравнением, сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако, для виртуального фотона, это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике, энергия состояния, существующего время Δt, оказывается определенной с точностью ΔE, удовлетворяющей соотношению неопределенностей:
.
Отсюда следует, что энергия системы может претерпевать отклонения ΔE, длительность которых Δt не должна превышать значений, даваемых принципом неопределенности. Таким образом, если виртуальный фотон будет поглощен до истечения времени Δt, то нарушение закона сохранения энергии не произойдет.
В 1934г. И.Е.Тамм предположил, что взаимодействие нуклонов осуществляется посредством каких-то виртуальных частиц. В то время были уже известны фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц – электрон – обладает комптоновской длиной волны в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил, поэтому попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.
В 1935г. японский физик Юкава предположил, что в природе существуют частицы с массой в 200 раз большей, чем у электрона. Эти частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия. Вскоре они были обнаружены экспериментально. Частицы эти были названы мезонами (от греч. «мезос» - средний). Масса покоя их оказалась промежуточной между массами электрона и нуклона.
Существуют положительный (π+), отрицательный (π -) и нейтральный (π0) мезоны. Заряд положительного и отрицательного мезонов равен элементарному заряду электрона. Масса их больше массы электрона в 273 раза, масса нейтрального мезона больше массы электрона в 264 раза. Спин их равен нулю. Все эти частицы нестабильны. Время жизни π+- и π –- мезонов 2,55*10 - 8 сек, у π0- мезона оно равно 2,1*10 – 16 сек.
Вернемся к рассмотрению взаимодействия нуклонов. Процесс создания поля нуклонами с помощью виртуальных мезонов можно описать с помощью следующих уравнений
.
Таким образом, нуклон оказывается окруженным облаком π – мезонов, которые образуют поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к взаимодействию между нуклонами.
Протон испускает виртуальный положительный мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который, вследствии этого, превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении.
Нейтрон и протон обмениваются π –- мезонами.
Нуклоны обмениваются π о- мезонами.
Первый из этих трех процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в нем появляются протоны, имеющие ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответственно, в мишени регистрируется такое же число покоящихся нейтронов. Это означает, что часть нейтронов из потока, пролетая вблизи протонов, захватывает виртуальные π+- мезоны. В результате нейтрон превращается в протон, а, потерявший свой заряд, протон превращается в нейтрон.
Явление искусственной радиоактивности
Устойчивое ядро характеризуется определенным числом протонов и нейтронов. Если искусственно, путем облучения ядра какими-нибудь частицами, нарушить равновесие между протонами и нейтронами, то такое ядро окажется искусственно-радиоактивным.
В легких ядрах избыточное число нейтронов приводит к нарушению устойчивости ядер, т.е. такие ядра становятся β – радиоактивными.
Вопрос об устойчивости ядер рассмотрим более подробно.
Как мы знаем, взаимодействие нуклонов зависит от ориентации их спинов. Это приводит к тому, что у ядер с четным числом протонов и нейтронов энергия связи максимальна, у ядер с нечетным числом - она минимальна. Согласно определению энергия связи равна разности между энергией покоя нуклонов и полной энергией ядра.
Устойчивыми называются такие атомные ядра, состав которых не изменяется с течением времени. При данном массовом числе А наиболее устойчивы ядра с таким значением заряда Z, которое соответствует наименьшему значению полной энергии ядра. Это значение равно
.
Условие устойчивости ядер может быть также нарушено путем введения в ядро избыточных протонов. Такие ядра будут претерпевать радиоактивный распад, соответствующий превращению избыточного протона в нейтрон по схеме
,
где 
- позитрон;
- нейтрино.
Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Они облучали ядра алюминия, бора и других легких элеменов α – частицами и, исследуя продукты реакции с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, обнаружили испускание позитронов. После прекращения облучения α–частицами испускание позитронов продолжалось, и убывало по закону 
, характерному для радиоактивного распада.
Явление искусственной радиоактивности находит широкое применение в науке и технике. Вспомним, что искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Период полураспада искусственно-радиоактивных ядер лежит в интервале от долей секунды до тысячи лет.
В настоящее время получены искусственно-радиоактивные изотопы с высокой активностью. Это дает возможность создавать довольно компактные источники радиоактивного излучения, которые находят широкое практическое применение в методе «меченых» атомов или в методе радиоактивных изотопов.
Ряд изотопов, например 
, 
и т.д. дает проникающее излучение. Это излучение позволяет просвечивать металлические детали толщиной в несколько сантиметров с целью обнаружения в них внутренних дефектов. Аналогичным путем можно непрерывно контролировать толщину изделий при прокате.
Добавление небольшого количества атомов радиоактивного изотопа к нерадиоактивным изотопам того же самого элемента составляет основу метода «меченых» атомов.
Вводя меченые атомы в детали машин, можно контролировать их износ в процессе работы по радиоактивности смазочного масла, омывающего деталь. С помощью меченых атомов можно проследить движение грунтовых вод и обнаружить течь в трубопроводах.
В ряде химических и биологических соединений участвует множество различных сложных соединений, содержащих в разных количествах одни и те же химические элементы. В силу тождественности атомов одного и того же элемента, невозможно проследить их путь в сложной цепочке реакций. Это оказалось возможным при использовании меченых атомов.
В сельском хозяйстве методом меченых атомов была установлена эффективность внекорневой подкормки растений (опыление листьев). С помощью меченых атомов удается установить скорость диффузии атомов в твердых телах, скорость растворения слаборастворимых веществ и т.д.
Дата добавления: 2014-12-18; просмотров: 125 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Патогенетическая и симптоматическая терапия. | | | ЛЕКЦИЯ №1. Часть 1. |