922.50K

Category:

physics

Физика атомного ядра. Физика элементарных частиц. Лекция №8. Часть 1-2

1.

х
Лекция №8.
Часть 1: ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Часть 2: Физика Элементарных частиц

2.

х
В состав атомного ядра входят
элементарные частицы: протоны и
нейтроны (нуклоны)
Протон имеет положительный заряд
е+=1,06·10–19 Кл
и массу покоя
mp = 1,673·10–27кг = 1836me.

х
.
В настоящее время известны ядра с
Z=1
до
Z = 107 – 118
A = Z + N называется массовым числом.
Ядра с одинаковым Z, но различными А
называются изотопами.
Ядра, которые при одинаковом A имеют
разные Z называются изобарами.

4.

х
Ядерный магнетон в mp/me = 1836,5 раз
меньше магнетона Бора, откуда следует, что
магнитные свойства атомов определяются
магнитными свойствами его электронов.

5.

х
2. Энергия связи ядер. Дефект массы
Ядерное сильное взаимодействие – притяжение
– обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на
отталкивание одноименно заряженных протонов.
Энергией связи нуклона в ядре называется
физическая величина, равная той работе, которую
нужно совершить для удаления нуклона из ядра
без сообщения ему кинетической энергии.
Энергия связи ядра определяется величиной той
работы, которую нужно совершить, чтобы
расщепить ядро на составляющие его нуклоны без
придания им кинетической энергии.

6.

х
Wсв – величина энергии, выделяющейся при
образовании ядра,
соответствующая ей масса ∆m, равна:
Wсв
m 2
с
называется дефектом масс.
Если ядро массой Мяд образовано из Z протонов
с массой mp и из (A – Z) нейтронов с массой mn, то
m Zm p ( A Z )mn M яд

7.

х
Удельной энергией связи ядра ωсв называется
энергия связи, приходящаяся на один нуклон:
Wсв
св
A
Величина ωсв составляет в среднем
8 МэВ/нуклон

8.

х
3. Ядерные силы
Ядерные силы являются короткодействующими
силами.
Длина (1,5 ÷ 2,2)·10–15 м называется радиусом
действия ядерных сил.
Ядерные силы обнаруживают зарядовую
независимость: притяжение между двумя
нуклонами одинаково независимо от зарядового
состояния
нуклонов
–
протонного
или
нейтронного.
Зарядовая независимость ядерных сил видна
из сравнения энергий связи зеркальных ядер:

9.

х
Ядерные силы обладают свойством
насыщения
Полное насыщение ядерных сил достигается у
альфа-частицы

10.

х
Ядерные силы зависят от ориентации
спинов взаимодействующих нуклонов.

11.

х
4. Радиоактивность
Радиоактивностью называется превращение
неустойчивых изотопов одного химического
элемента в изотопы другого элемента,
сопровождающееся испусканием некоторых
частиц.
Естественной радиоактивностью называется
радиоактивность,
наблюдающаяся
у
существующих в природе неустойчивых изотопов.
Искусственной
радиоактивностью
называется
радиоактивность
изотопов,
полученных в результате ядерных реакций.

12.

Открытие
В 1896 г. Беккерель случайно
открыл радиоактивность. Исследуя работу
Рентгена, он завернул флюоресцирующий
материал в непрозрачную бумагу вместе с
фотопластинками, после обнаружил, что
фотопластинки были полностью
засвечены.
Антуан Анри Беккерель

13.

Радиоактивные процессы:
• α - распад
• β – распад (в том числе электронный
захват)
• γ – излучение ядер
• спонтанное деление тяжелых ядер
• протонная радиоактивность

14.

х
Все
типы
радиоактивности
сопровождаются испусканием гамма-излучения
– жесткого, коротковолнового электромагнитного
излучения.
Ядро, испытывающее радиоактивный распад,
называется материнским; возникающее дочернее
ядро, как правило, оказывается возбужденным, и
его переход в основное состояние сопровождается
испусканием γ-фотона.

15.

х
Закон радиоактивного распада:
T
0
N N e
N0 – количество ядер в данном объеме вещества в
начальный момент времени t = 0,
N – число ядер в том же объеме к моменту временя t,
λ – постоянная распада,
Закон
самопроизвольного
радиоактивного
распада основывается на двух предположениях:
• постоянная распада не зависит от внешних
условий;
• число ядер, распадающихся за время dt,
пропорционально начальному количеству ядер

16.

х
Величина 1/λ = τ - средней продолжительности жизни (среднее время жизни τ)
радиоактивного изотопа.
Средняя продолжительность τ жизни всех
первоначально существовавших ядер
1
1
t
Ntdt te dt
N0 0
0
Суммарная продолжительность жизни
dN ядер равна
t|dN|=tλNdt.

17.

х
Характеристикой устойчивости ядер
относительно распада служит период полураспада
Т1/2.
Так называется время, в течение которого
первоначальное
количество
ядер
данного
радиоактивного
вещества
уменьшается
наполовину.
Связь λ и Т1/2:
T1/ 2
ln 2
0,693
0,693

18.

Бывает, что дочерние ядра также радиоактивные
и распадаются со скоростью, характеризуемой
постоянной распада λ’.
Новый продукт распада также радиоактивный и
т.д…
• образуется радиоактивный ряд (семейство):
238U, 232Th, 235U.
Активность радиоактивного препарата = λN
- число распадов в единицу времени.
Единица измерения активности - беккерель (Бк) =
распад в секунду.

19.

х
Закон сохранения электрического заряда
при радиоактивном распаде ядер:
Z яд e Z i e
i
где Zядe – заряд материнского ядра,
Ziе – заряды ядер и частиц, возникших в
результате радиоактивного распада.

20.

х
Правила смещения (правила Фаянса и
Содди) при радиоактивных α- и β_ – распадах:
при α - распаде
A
A 4
4
Z X Z 2Y 2 He
при β_- распаде
A
A
0
Z X Z 1Y 1 e

21.

х
5. Ядерные реакции и их основные типы
Ядерная реакция – это превращение
атомных
ядер
при
взаимодействии
с
элементарными частицами (в том числе и с γквантами) или друг с другом.

22.

х
В
ядерной
физике
эффективность
взаимодействия характеризуют эффективным
сечением σ.
С каждым видом взаимодействия частицы с
ядром связывают своё эффективное сечение:
• эффективное сечение расщепления определяет
процесс расщепления;
• эффективное сечение поглощения – процессы
поглощения.

23.

х
Эффективное сечение ядерной реакции:
dN /(nNdx)

24.

х
В любой ядерной реакции выполняются:
законы сохранения электрических зарядов и
массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых
чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию,
равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел)
конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Выполняются также
•законы сохранения энергии,
•импульса,
•момента импульса.

25.

х
В отличие от радиоактивного распада,
который всегда протекает с выделением энергии,
ядерные
распады
могут
быть
как
экзотермические (с выделением энергии), так и
эндотермические (с поглощением энергии).

26.

х
X a C Y b
Энергия влетевшей в ядро частицы быстро
распределяется между нуклонами составного ядра,
в результате чего оно оказывается в возбуждённом
состоянии.
При столкновении нуклонов составного
ядра один из нуклонов (или их комбинация,
например дейтрон или α-частица) может
получить энергию, достаточную для вылета из
ядра.
В результате наступает вторая стадия
ядерной реакции – распад составного ядра на
ядро Y и частицу b.

27.

х
.
Некоторые
реакции протекают
без
образования составного ядра, они называются
прямыми
ядерными
взаимодействиями
(например, реакция вызываемые быстрыми
нуклонами и дейтронами).

28.

х
Ядерные реакции классифицируются
по следующим признакам:
1. 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;

29.

х
2. по энергии вызывающих их частиц –
• реакции при малых энергиях
• реакции при средних энергиях (;
• реакции происходящие при высоких энергиях ;

30.

х
3. 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);
4. 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, испуская один или несколько
γ-квантов).

31.

х
6. Деление ядер
Задача была решена немецкими физиками Л.
Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при
поглощении нейтронов ураном происходит
деление ядра на два осколка.
92U + n → 56Ba +36Kr + kn
где k > 1.
При делении ядра урана тепловой нейтрон с
энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию
~ 200 МэВ.

32.

У тяжелых ядер существует
тенденция к делению на два более
легких ядра с выделением энергии.
Энергия
атомной
бомбы
и
ядерного
реактора
представляет
собой энергию, высвобождающуюся
при делении ядер.

33.

х
7. Синтез ядер
Масса или энергия покоя двух легких ядер
оказывается больше, чем у суммарного ядра.
Если
легкие
ядра
привести
в
соприкосновение, то результирующее ядро имело
бы меньшую массу и высвободилась бы энергия,
равная разности масс.
Например: Если соединить два дейтрона и
получить ядро гелия, масса которого меньше
суммарной массы двух дейтронов на 24 МэВ, то
высвободится энергия синтеза 24 МэВ.

34.

х
Процесс синтеза примерно в
эффективнее процесса деления урана.
6
раз

35.

Основы физики
элементарных частиц:
1) типы взаимодействия;
2) частицы и античастицы;
3) классификация
элементарных частиц;
4) кварковая модель адронов.

36.

х
Три уровня микромира:
1. Молекулярно-атомный
E 1 10 эВ
8
Δr 10 10
10
м
2. Ядерный
14
15
м
E 10 10 эВ Δr 10 10
3. Мельчайшие частицы
15
8
м
E 10 эВ Δr 10
6
8

37.

х
Элементарные частицы микрочастицы, внутреннюю
структуру которых на
современном уровне развития
физики нельзя представить как
объединение других частиц.
Во всех наблюдавшихся до сих
пор явлениях каждая такая
частица ведёт себя как единое
целое.

38.

Элементарные частицы
Микромир R 1 0 м
8
Молекулы, атомы Ядра атомов
14
15
8
10
R
~
1
0
1
0
м
R ~ 10 10 м
Адроны p , n
Кварки
лептоны
переносчики
взаимодействий
u, d
e

39.

Существование античастиц
предсказал в 1928г. П. Дирак.
Частицы и античастицы
имеют одинаковые массы,
спины и времена жизни.
e иe
~
pи p
- различаются
знаками заряда;
~
n и n - знаками магнитного
моме-нта и барионного

40.

Фундаментальные
взаимодействия
Процессы, в которых участвуют
элементарные частицы обусловлены взаимодействием между
ними.
Известны 4 типа фундаментальных взаимодействий.

41.

1. Сильное - свойственно
(
p
,
n
),
адронам
обеспечивает
существование атомных ядер,
приводит к рождению
2. Электромагнитное – проявляется
кулоновскими силами, обеспечивает
существование атомов,

42.

3. Слабое – для всех частиц,
кроме фотонов; .

43.

4. Гравитационное – для всех
тел Вселенной;

44.

Классификация
элементарных частиц

45.

Классификация элементарных
частиц основана на их
отношении к фундаментальным
взаимодей-ствиям.
Лептоны (6 частиц) имеют спин
J=1/2 ; барионное число В = 0,
странность S = 0, лептонное
число L = +1 (лептоны), L= - 1
(антилепто-ны), L = 0
(остальные элементар-ные
частицы).

46.

Адроны участвуют в сильном
взаимодействии, имеют
барион-ный заряд В.
Адроны с В = 0 – мезоны (пионы
~
0
каоны
, , ,
K 0,K 0,K ,K ,
эта - мезон 0 );
с B = +1 – барионы (p, n, гипероны
0
0,
0,
);
, , ,
с B = -1 – антибарионы
~p , n~ , ~ 0 ~ 0 , ~ 0 , ~
, , ,