Ядерная физика

1.

Строение ядра.
Ядерные силы.
Модели ядра.
Дефект массы. Энергия связи.
Радиоактивный распад ядер.
Закон радиоактивного распада.
Ядерные реакции.
Свойства элементарных частиц, их
классификация.
Фундаментальные взаимодействия.

2.

A
Z Д.Д. Иваненко (1904 г.): ядро состоит из протонов
X
n .
A N Z массовое число,
и нейтронов
1
0
1
1
( p)
N число нейтронов,
Z число протонов.
2
3
1
1
10
10
4
5
Z, разное A ( H , H ) ;
Изобары – одинаковое A, разное Z ( Be , B,10
.
6 C)
Магические ядра с N или Z , равными 2,8,20,28,50,82,126,
дважды магические ядра N и Z равны 2,8,20,28,50,82,126.
1/ 3
15
Условный радиус ядра R R0 A , R0 1,3 1,7 10 м.
Изотопы – одинаковое
Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре,
плотность ядерного вещества 1017 кг / м 3 .
Lя I ( I 1) , I 0, (1 / 2),1, (3 / 2),...
Спин ядра
внутреннее (полное) спиновое квантовое число.

3.

Ядерное взаимодействие – сильное,
осуществляется ядерными силами.
Свойства ядерных сил:
1) являются силами притяжения;
2) радиус действия ~ 10 15 м (короткодействующие);
3) обнаруживают зарядовую независимость,
имеют неэлектрическую природу;
4) обладают свойством насыщения (нуклон
взаимодействует с ограниченным числом
соседних нуклонов);
5) не являются центральными;
6) зависят от взаимной ориентации спинов.

4.

Капельная модель (1936г. Н.Бор, Я.И.Френкель):
ядро – капля электрически заряженной несжимаемой жидкости, подчиняющейся законам квантовой механики (не могла объяснить устойчивость
магических ядер).
Оболочечная модель (1949-1950 г. М.ГеппертМайер, Х.Иенсен): нуклоны в ядре распределены по принципу Паули, наиболее устойчивы
ядра с полностью заполненными оболочками.
Модель применима для легких и средних
невозбужденных ядер.
Обобщенная модель: К М + О М.
Оптическая модель.

5.

Показано, масса ядра меньше суммы масс
составляющих его нуклонов:
m Zm p A Z mn mя ,
где
m p , mn , mя массы протона, нейтрона и ядра,
соответственно.
Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра на составляющие его частицы без сообщения им кинетической
энергии:
Wсв Zm p A Z mn mя с .
2

6.

Мэв
wсв ,
нуклон
8
Wсв
wсв
удельная энергия
A
связи
Наиболее прочны ядра с
6
28 A 138
4
2
0
40
80
120 160 200
A
Источник энергии деление тяжелых ядер
(wсв 7,6Мэв / нуклон ),
синтез легких ядер.
(wсв 8,7Мэв / нуклон).
Критерий
устойчивости ядер:
Z уст
A
.
2/3
1,98 0,015 A

7.

Самопроизвольный распад – статистический процесс,
распад данного ядра - вероятностное событие.
Убыль dN числа ядер за время dt пропорциональна
числу ядер N :
где
N
постоянная радиоактивного распада.
Разделим переменные и проинтегрируем:
dN
Ndt,
N
N0
N0
2
0
dN Ndt ,
t
T1/ 2
N N 0 1 e
t
N
t
dN
N
N N 0 dt, n N t,
0
0
N N 0e t N 0 exp t
число ядер, нераспавшихся
к моменту времени t.
число ядер, распавшихся к моменту
времени t.

8.

Aктивность изотопа
dN
A
N
dt
характеризует число распадов за единицу времени:
t
t
распад
А N0e A0e , где A0 N0 ; A Бк
.
с
Внесистемная единица активности – кюри (Ки):
1 Ки 3,7 1010 Бк.
Среднее время жизни радиоактивного изотопа
1
;
период полураспада – время, за которое
распадается половина ядер,
n2
T1/ 2
.

9.

распад сопровождается вылетом
A
z
4
2
X
A 4
Z 2
Y He,
4
2
He :
U Th He.
238
92
234
90
4
2
0
распад сопровождается выбросом
1
A
Z
X Y e,
A
Z 1
0
1
C N e.
13
6
13
7
0
1
?
e:
В ядре электронов нет. Откуда он взялся? Из оболочки?
Но оптического и рентгеновского излучения нет.
Закон сохранения энергии нарушался (!?), спин не
сохранялся.
0
В.Паули (1931г.): вместе с 1
испускается
нейтрино
0
0 e
e
(позже антинейтрино 0 ~ ).
e
0

10.

распад – взаимные превращения в ядре
протона и нейтрона .
распад (электронный):
A
Z
~
X Y e ,
A
Z 1
A
Z
0
1
0
0
1
распад (позитронный)
1
X Y e ,
A
Z 1
0
1
0
0
где
0
1
1
0
~
n p e e ,
1
1
0
1
0
0
~
C N e ;
13
6
13
7
0
1
0
0
p n e e ,
1
0
13
7
e
0
1
0
0
N C e ,
13
6
позитрон.
0
1
0
0
, распады и ядерные реакции сопровождаются
излучением.

11.

- превращение ядер при взаимодействии друг с другом,
элементарными частицами,
квантом.
Ядерные реакции записывают в виде:
X a Y b или X a, b Y ,
X , Y исходное и конечное ядра, a,b,...
где
бомбардирующая и испускаемая одна (или несколько)
частицы.
При ядерных реакциях выполняются законы сохранения:
1) электрического заряда
2) числа нуклонов
1) релятивистской полной энергии,
2) импульса,
3) момента импульса.

12.

Энергия ядерной реакции
m
где
i
частицы,
n
n
2
W Q mi mk c ,
k 1
i 1
массы покоя ядра-мишени бомбардирующей
массы покоя продуктов реакции.
k
m
Различают реакции:
экзотермические – протекают с выделением энергии,
эндотермические – с ее поглощением.
С выделением энергии идут, например, реакции синтеза
атомных ядер – образование из легких ядер более
тяжелых:
2
1
6
3
H 13H 24He 10 n (Q 17,6Мэв ),
Li 12H 24He 24He (Q 22,4Мэв ).

13.

Основаны на способности частиц ионизировать
и возбуждать атомы среды.
Приборы, регистрирующие прохождение частицы:
1) импульсная ионизационная камера,
2) счетчики (сцинтилляционный, газоразрядный,
черенковский, полупроводниковый).
Приборы для наблюдения и фотографирования:
1) ядерные фотоэмульсии,
2) камеры (Вильсона, диффузионная,
пузырьковая).

14.

Воздействие ионизирующего излучения на
вещество характеризует доза излучения:
W
1 Дж
D
1Гр
1) поглощенная D
m
1кг
0,25 Гр допустимая доза.
2) экспозиционная
Q
Dэ
m
Грей .
Кл
Dэ .
кг
Внесистемная единица экспозиционной дозы–рентген (Р):
1Р 2,58 10
4
Кл / кг.
3) биологическая доза определяет воздействие
излучения на организм.
Биологический эквивалент рентгена (бэр):
2
1бэр 10 Дж / кг.

15.

Микромир
Молекулы, атомы
8
R ~ 10 10
10
м
R 10 8 м
Ядра атомов
R ~ 10
14
10
15
м
Адроны p, n
Кварки
u, d
лептоны
e
переносчики
взаимодействий

16.

Число известных элементарных
частиц (вместе с античастицами) ~ 400.
Массу частицы выражают в МэВ или ГэВ.
Электрический заряд характеризует
способность частицы участвовать в
электромагнитном взаимодействии:
0, 1, 2
(для некоторых резонансов).

17.

Спин – момент импульса частицы в
системе отсчета покоя.
Среднее время жизни - мера
стабильности элементарных частиц
,c
898 16
10 23
~ 10 24 10 23
частицы
1
1
p,
1
0
0
1
e, ,
0
0
n
стабильные адроны
резонансы

18.

Существование античастиц предсказал в
1930г. П.Дирак. Частицы и античастицы
имеют одинаковые массы, спины и
времена жизни.
e и e~ ; p и ~
p различаются знаками заряда;
~
n и n знаками магнитного момента и
барионного заряда;
и ~ характером взаимопревращений.
Переносчики ядерных взаимодействий:
мюоны и ( ~ 10 6 c) и пионы
, 0 , ( ~ 10 8 c).

19.

1. Сильное - свойственно адронам p и
обеспечивает существование атомных
~
~
ядер, приводит к рождению p и n .
n,
2. Электромагнитное – проявляется кулоновскими силами, обеспечивающими существование атомов, рождение электронпозитронной пары, комптоновское рассеяние, упругое рассеяние электронов на
ядрах, протонах, электронах.

20.

3. Слабое – для всех частиц, кроме фотонов; проявляется в - превращениях
атомных ядер; причина нестабильности
нейтронов, мюонов, пионов; в нем участвует нейтрино.
4. Гравитационное – для всех тел Вселенной; существование звезд, планетных
систем; в микромире роли не играет.
Все фундаментальные взаимодействия
имеют обменный характер.

21.

Адроны – составные нестабильные частицы,
состоят из кварков и антикварков.
Имеются кварки шести типов, которые
образуют три поколения (дублета)
(u, d ), (c, s), (t , b) :
верхний (up),нижний (down), очарованный
(charm), странный (strange), истинный
(truth), прелестный (beauty).
Экспериментально кварки не зарегистрированы,
но измерены их основные характеристики: спин
(1/2), дробный заряд, три цвета.

22.

Тест 1
a
r T
Кривая
в спектре
излучения черного
тела соответствует
6000К.
a
b
500
2000
, нм
Кривая b
соответствует
температуре:
1) 750К; 2) 3000К; 3) 1000K; 4) 1500K.

23.

,
e
Тест 2
падающий и рассеянный фотоны,
электрон отдачи,
e
30 .
0
Если импульс электрона
отдачи равен 3(МэВ с)/м,
то импульс падающего
фотона(в тех же единицах) равен…
1) 2 3; 2)
3; 3) 1,5 3; 4) 1,5.

24.

E, эВ
0
0,85
1,5
3,4
13,6
Тест 3
4
3
2
При переходе между
какими уровнями
испускается квант
света с наибольшей
частотой?
1
1) 1 ; 2) 2 1; 3) 3 1; 4) 1.

25.

Тест 4
Положение атома углерода в кристаллической решетке алмаза определено с
погрешностью x 0,05нм. Учитывая, что
масса атома углерода m 1,99 10 26 кг ,
неопределенность скорости x его
теплового движения (в м/с ) составляет не
менее…
3
1) 106; 2) 1,06; 3) 9,43 10 ; 4) 0,943.

26.

E, эВ
0
0,85
1,5
3,4
13,6
Тест 3
4
3
2
При переходе между
какими уровнями
испускается квант
света с наибольшей
частотой?
1
1) 1 ; 2) 2 1; 3) 3 1; 4) 1.

27.

Тест 5
Стационарным уравнением Шредингера
для частицы в трехмерном ящике с бесконечно высокими стенками является
уравнение…
2m
d 2 2m
1) 2 E 0; 2) 2 2 0;
dt
2m
Ze 2
0;
3) 2 E
4 0 r
2 2
m 0 x
d 2m
0.
4)
2 E
2
dx
2
2

28.

Тест 6
Какова природа сил, отклоняющих
частицы от прямолинейной траектории
в опытах Резерфорда?
1)гравитационная;
2) ядерная;
3) ядерная и электромагнитная;
4) электромагнитная.

29.

Тест 7
При испускании радиоактивным ядром
трех частиц количество нейтронов
в ядре…
увеличилось на 3;
уменьшилось на 3;
не изменилось;
увеличилось на 6.