Состав атомных ядер. Ядерная физика

1. Ядерная физика

Состав атомных ядер

2. Атомное ядро

В 1919 г., продолжая эксперименты по
рассеянию -частиц на различных мишенях,
Э. Резерфорд обнаружил, что при
бомбардировке ядер азота -частицами из него
вылетают положительно заряженные частицы.
Величина заряда этих частиц по абсолютной
величине была равна величине заряда
электрона, но противоположна по знаку. Масса
частицы была почти в 2000 раз больше массы
электрона.

3. Атомное ядро

Обнаруженные частицы были названы
протонами. Ядерная реакция, в которой
впервые были обнаружены протоны,
записывается в виде
14
N O p
17

4. Атомное ядро

Продолжая начатые Резерфордом эксперименты
по облучению тонких фольг из бериллия частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили
сильно проникающее излучение, состоящее из
нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая
гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий,
не выдержала проверки. Лишь в 1932 г.
английский физик Д. Чедвик показал, что это
новая, до сих пор неизвестная нейтральная
частица с массой, приблизительно равной массе
протона. Обнаруженная частица была названа
нейтроном.

5. Атомное ядро

Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко и
В. Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, что
атомное ядро состоит из нейтронов и протонов.
Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.
Эта модель выдержала испытания временем и, как
показывают экспериментальнные наблюдения, в
обычных условиях отклонения от протоннонейтронной модели, связанные с внутренней
структурой нуклонов, невелики.

6. Атомное ядро

Характеристики протона, нейтрона, электрона
Характеристика
Масса, МэВ
Электрический заряд
(в единицах заряда
электрона)
Спин
Статистика
Время жизни
Протон
938.28
Нейтрон
939.57
Электрон
0.511
+1
0
-1
1/2
1/2
Ферми-Дирака
1/2
>1025
лет
887+2 с
>4.3·1023
лет

7. Атомное ядро

Для характеристики атомных ядер вводится ряд
обозначений. Число протонов, входящих в состав
атомного ядра, обозначают символом Z и
называют зарядовым числом или атомным
номером (это порядковый номер в периодической
таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где
e – элементарный заряд. Число нейтронов
обозначают символом N.

8. Атомное ядро

Общее число нуклонов (т. е.
протонов и нейтронов) называют
массовым числом A
A Z N

9. Атомное ядро

Ядра химических элементов обозначают
символом
A
,
Z X
где X – химический символ элемента.
Например,
16
4
1
– водород, 2 He – гелий, 8 O – кислород
1H

10. Атомное ядро

Ядра одного и того же химического элемента
могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра
называются изотопами. Например:
1
-обычный водород
1H
2
1
H
-тяжелый водород или дейтерий
3
1
H
-тритий

11. Дефект массы и энергия связи

Важнейшую роль в ядерной физике играет
понятие энергии связи ядра.
Энергия связи ядра равна минимальной
энергии, которую необходимо затратить для
полного расщепления ядра на отдельные
частицы. Из закона сохранения энергии следует,
что энергия связи равна той энергии, которая
выделяется при образовании ядра из отдельных
частиц.

12. Дефект массы и энергия связи

Энергию связи любого ядра можно
определить с помощью точного измерения
его массы. Масса любого ядра всегда
меньше суммы масс входящих в его
состав протонов и нейтронов:
M я Zm p Nmn

13. Дефект массы и энергия связи

Разность масс называется дефектом
массы
M Zm p Nmn M я
По дефекту массы можно определить
энергию, выделившуюся при образовании
данного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв:

14. Дефект массы и энергия связи

Эта энергия выделяется при образовании
ядра в виде излучения γ-квантов.
Eсв Mc Zmp Nmn M я с
2
2

15. Дефект массы и энергия связи

Рассчитаем в качестве примера энергию связи
ядра гелия , в состав которого входят два
протона и два нейтрона. Масса ядра
гелия 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов
и двух нейтронов составляет 4, 03298 а. е. м.
Следовательно, дефект массы ядра гелия равен
ΔM = 0,03038 а. е. м. Расчет по формуле
приводит к следующему значению энергии связи
ядра : Eсв = 28,3 МэВ. Это огромная величина.

16.

В таблицах принято указывать удельную
энергию связи, т. е. энергию связи на
один нуклон. Для ядра гелия удельная
энергия связи приблизительно равна
7,1 МэВ/нуклон.

17. Удельная энергия связи ядра

18. Дефект массы и энергия связи

Удельная энергия связи нуклонов у разных
атомных ядер неодинакова. Для легких ядер
удельная энергия связи сначала круто
возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия до
7,1 МэВ/нуклон у гелия . Затем, претерпев ряд
скачков, удельная энергия медленно возрастает
до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у
элементов с массовым числом A = 50–60, а
потом сравнительно медленно уменьшается у
тяжелых элементов.

19. Ядерные силы

Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны
особыми силами, для которых характерна
большая величина и малый радиус действия ~1013 см. Ядерные силы существенно превосходят
силы электростатического кулоновского
отталкивания протонов и обуславливают
большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3.
Этот новый тип взаимодействия, связывающий
нейтроны и протоны, назвали ядерным или
сильным взаимодействием. Эти два названия
долгое время считали синонимами.

20. Ядерные силы

Сегодня мы знаем: сильное взаимодействие
связывает кварки внутри нуклона, а ядерное
взаимодействие, связывающее нейтроны и
протоны, является следствием сильного
взаимодействия. Ядерное взаимодействие
меняет свойства нуклонов. Так, например,
свободный нейтрон, являясь нестабильной
частицей, внутри ядра может стать стабильным.
По отношению к сильному взаимодействию
протон и нейтрон имеют одинаковые свойства

21. Ядерные силы. Свойства.

Ядерные силы являются силами притяжения;
Ядерные силы являются короткодействующими –
их действие проявляется только на расстояниях
примерно 10- 15м.
Ядерным
силам
свойственна
зарядовая
независимость: ядерные силы, действующие между
двумя протонами, или двумя нейтронами, или,
наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по
величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют
неэлектрическую природу;

22. Ядерные силы. Свойства.

Ядерным силам свойственно насыщение, т. е.
каждый нуклон в ядре взаимодействует только с
ограниченным числом ближайших к нему
нуклонов. Насыщение проявляется в том, что
удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не
учитывать легкие ядра) при увеличении числа
нуклонов не растет, а остается приблизительно
постоянной;

23. Ядерные силы. Свойства.

ядерные силы зависят от взаимной ориентации
спинов взаимодействующих нуклонов. Например,
протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро
изотопа 21H) только при условии параллельной
ориентации их спинов;
ядерные силы не являются центральными, т. е.
действующими по линии, соединяющей центры
взаимодействующих нуклонов.

24. Ядерные силы

В 1934 году Х. Юкава предсказал новую
частицу - квант ядерного поля. Cогласно
гипотезе Юкава взаимодействие между
нуклонами возникает в результате
испускания и поглощения этих частиц.
Они определяют ядерное поле по
аналогии с электромагнитным полем,
которое возникает как следствие обмена
фотонами

25. Ядерные силы

. Принимая во внимание известные факты, что
ядерные силы - короткодействующие и имеют
характерный радиус действия ~1 Фм, Юкава
оценил массу квантов ядерного поля ~200 МэВ.
Предсказанная Юкавой частица должна была
занимать по массе промежуточное значение
между электроном и протоном и была названа
мезоном от греческого слова meso - средний.
После предсказания свойств мезона начались
энергичные поиски этой частицы.

26. Ядерные силы

В 1947 году в космических лучах была
обнаружена частица, которая сильно
взаимодействовала с протонами и нейтронами и
была той самой частицей, которую предсказал
Юкава. Ее назвали -мезоном или пионом.
Существует три разновидности -мезонов:
отрицательно заряженный -мезон с массой
~140 МэВ, его положительно
заряженная 0
античастица -мезон, и нейтральный мезон с массой ~135 МэВ.

27. Ядерные силы

Все три частицы
нестабильны. Время
жизни и -мезонов составляет
2,6 10 8 с, 0 -мезона – 0,8 10 16 с.
Подавляющая часть
- мезонов
распадается по схеме:
~
0

28. Ядерные силы

Мюоны как и
- мезоны нестабильны и
распадаются по схеме:
~
e
~
e

29. Обменное взаимодействие

В результате виртуальных процессов
нуклон оказывается окруженным облаком
виртуальных
-мезонов, образующих
поле ядерных сил
p n
p p
0
n p
n n
0

30. Обменное взаимодействие

Поглощение этих мезонов другими
нуклонами приводит к
взаимодействию между нуклонами,
которое осуществляется по одной из
следующих схем:

31. Обменное взаимодействие

p n n n n p
n p p p p n
p n p n p n
0
p p p p p p
0
n n n n n n
0

32. Радиоактивность

Почти 90 % из известных 2500 атомных
ядер нестабильны. Нестабильное ядро
самопроизвольно превращается в другие
ядра с испусканием частиц. Это свойство
ядер называется радиоактивностью.

33. Радиоактивность

Явление радиоактивности было открыто в
1896 году французским физиком
А. Беккерелем, который обнаружил, что
соли урана испускают неизвестное
излучение, способное проникать через
непрозрачные для света преграды и
вызывать почернение фотоэмульсии.

34. Радиоактивность

Было выяснено, что радиоактивные ядра
могут испускать частицы трех видов:
положительно и отрицательно
заряженные и нейтральные. Эти три вида
излучений были названы α-, β- и γизлучениями.

35.

36. Закон радиоактивного распада

Отдельные радиоактивные ядра
претерпевают превращения
независимо друг от друга. Поэтому
можно считать, что
dN N dt
где
- постоянная распада

37. Закон радиоактивного распада

Число нераспавшихся ядер убывает со
временем по экспоненте:
N (t ) N 0 e
t

38. Закон радиоактивного распада

Время, за которое распадается половина
первоначального количества ядер,
называется периодом полураспада T.
N0 / 2 N0 exp( T )
T ln 2 / 0,693 /

39. Альфа - распад

Альфа-распад происходит по схеме
AA 44
ZZ 22
XX
YY He
He
AA
ZZ
44
22

40. Альфа - распад

Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде
ядер радия, измеренная по кривизне траектории
в магнитном поле, приблизительно равна
1,5·107 м/с, а соответствующая кинетическая
энергия около 7,5·10–13 Дж (приблизительно
4,8 МэВ). Эта величина легко может быть
определена по известным значениям масс
материнского и дочернего ядер и ядра гелия.

41. Альфа - распад

Радиоактивное вещество может испускать αчастицы с несколькими дискретными значениями
энергий. Это объясняется тем, что ядра могут
находиться, подобно атомам, в разных
возбужденных состояниях. В одном из таких
возбужденных состояний может оказаться
дочернее ядро при α-распаде. При последующем
переходе этого ядра в основное состояние
испускается γ-квант.

42. Альфа - распад

Энергетическая диаграмма альфараспада радия

43. Альфа - распад

В теории α-распада предполагается, что
внутри ядер могут образовываться
группы, состоящие из двух протонов и
двух нейтронов, т. е. α-частица.
Материнское ядро является для α-частиц
потенциальной ямой, которая
ограничена потенциальным барьером.

44. Альфа - распад

Туннелирование α-частицы сквозь
.
потенциальный
барьер

45. Альфа - распад

Энергия α-частицы в ядре недостаточна
для преодоления этого барьера. Вылет αчастицы из ядра оказывается возможным
только благодаря квантовомеханическому явлению, которое
называется туннельным эффектом.

46. Бета-распад

Бета-распад имеет три разновидности:
A
A
0
Электронный
X
Y
Z
1 e
Z 1
Позитронный
К-захват
Z
Z
A
A
e
X Z 1 AY 10 e e
X 10 e Z 1 AY e
Наиболее распространенным является электронный.

47. Бета-распад

Изучение явления -распада поставило перед физиками
серьезную проблему. Экспериментальные факты казались
несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и
момента количества движения.

48. Бета-распад

Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в
1930 г. высказал предположение, что в процессе
-распада наряду с электроном, который легко
наблюдается, должна рождаться еще одна
легкая частица с нулевым зарядом, нулевой
массой покоя и спином 1/2. Поскольку нейтрино
испускалось вместе с электроном в процессе распада, оно могло уносить недостающую
энергию, импульс и момент количества
движения.

49. Бета-распад

Экспериментальные попытки непосредственно
зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать
лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного
эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось
зарегистрировать антинейтрино.
(Антинейтрино было зарегистрировано с помощью реакции
.
p n e
Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором
антинейтрино образуются в большом количестве.).
Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение.

50. Бета-распад

При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер
электроны существовать не могут, они возникают при βраспаде в результате превращения одних нуклонов в
другие:
Z
Z
Z
A
X Z 1 AY 10 e e , n p e e
A
X Z 1 AY 10 e e ,
A
X 10 e Z 1 AY e , e p n e
p n e e