Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


‘изика €дра




јтомные €дра. ¬ начале ’’ века после открыти€ структуры атома дл€ физиков представл€ла интерес проблема: обладает ли атомное €дро структурой, и какой эта структура могла бы быть? Ёкспериментальные исследовани€ показали, что €дро обладает свойством испускать α -, β и γ -лучи42.

  тому же под действием этих лучей на €дра из них вылетали и другие частицы, т.е. происходили €дерные реакции. ѕозднее был открыт нейтрон, который, как и протон, находитс€ внутри €дра в виде частицы. ћежду ними существует сильное взаимодействие, которое примерно на два пор€дка интенсивнее электромагнитного.

¬ отличие от электромагнитного взаимодействи€ сильные взаимодействи€ не €вл€ютс€ центральными, а имеют сложный характер. »х взаимодействие можно интерпретировать как прит€жение двух частиц не по пр€мой линии, соедин€ющей центры этих частиц.   тому же они завис€т и от квантовых характеристик €дер.

ќказалось, что €дро устроено довольно сложно, и в его структуре остаетс€ много не€сного по насто€щее врем€. “ем не менее в начале 1930-х гг. была предложена модель атомного €дра, котора€ по-прежнему остаетс€ общепризнанной.

—огласно этой модели, атомное €дро состоит из двух элементарных частиц Ц протонов и нейтронов 43.

 

 

42 »сторически развитию €дерной физики предшествовало большое количество исследований в области физики атома. ƒо открыти€ €дра исследовани€ вещества привело к открытию проникающих излучений: ё. ѕлюккером в 1859 г. были открыты катодные лучи, ¬. –ентгеном в 1895 г. Ц рентгеновские лучи, в 1896 г. ј. Ѕеккерель открыл радиоактивность, а в 1897 г. ƒ.ƒ. “омсоном был открыт электрон.

43 ѕротон-нейтронна€ модель атомного €дра предложена в 1932 г. советским физиком, профессором физического факультета ћ√”

ѕротон представл€ет собой €дро простейшего атома Ц

водорода. ќн имеет положительный зар€д

е + = +1.6 Ј 10Ц19 л

и массу

mp = (1.672623 ± 0.000008) Ј 10Ц27кг = 1.007276470 а.е.м. (4.3.1)

Ќейтрон, существование которого было установлено ƒжеймсом „едвиком в 1932 г., электрически нейтрален, на что и указывает его название. ћасса нейтрона оказалась несколько больше массы протона:

mp = (1.674929 ± 0.000009) Ј 10Ц27кг = 1.008664904 а.е.м. (4.3.2)

¬ свободном состо€нии (т.е. вне €дра) нейтрон живет около

10 мин, а затем распадаетс€. ¬нутри €дра нейтрон стабилен.  аждое €дро атома характеризуетс€ двум€ числами: за-

р€дом Z и массовым числом ј. «ар€д €дра Z равен числу протонов в €дре и совпадает с пор€дковым номером химического элемента в периодической системе. ћассовое число A равно числу нуклонов в €дре, т.е. сумме числа протонов и нейтронов. N = AЦZ Ц число нейтронов, наход€щихс€ в €дре.

Z
ќбычно атомное €дро обозначают символом A X, где ’ Ц

символ химического элемента, ј Ц массовое число, Z Ц атомный номер.

Ёнерги€ св€зи €дра. »звестно, что дл€ испарени€ одной молекулы необходима энерги€ пор€дка 0.1 э¬, а дл€ разделени€ молекулы водорода на атомы Ц 4.5 э¬. ƒл€ ионизации атома водорода потребуетс€ энерги€ 13.6 э¬.

 

–ис. 4.10.   объ€снению энергии св€зи нуклонов в €дре

 

 

ƒ.ƒ. »ваненко. Ќесколько позже такую же работу опубликовал ¬. √ейзенберг.

„тобы отделить нуклон от €дра, необходимо затратить существенно бóльшие энергии. “ак, например, €дро атома гели€ состоит из двух протонов и двух нейтронов. ≈сли мысленно на одну чашу весов положить €дро гели€, а на другую

Ц два протона и два нейтрона, мы увидим, что четыре отдельных нуклона вес€т больше, чем само €дро гели€ (рис. 4.10). “аким образом, обща€ масса легких €дер всегда меньше суммы масс составл€ющих его протонов и нейтронов. Ёто привело к предположению, что часть массы прит€гивающихс€ друг к другу нуклонов выдел€етс€ в виде энергии фотонов или других частиц.

ƒл€ €дер урана все наоборот. »сходное €дро оказываетс€ т€желее, чем два осколка. ѕоэтому оно по закону сохранени€ энергии может распадатьс€ на другие частицы самопроизвольно. “€желые €дра обычно дел€тс€ на два осколка. ѕоэтому в легких €драх энерги€ выдел€етс€ при их сли€нии, а в т€желых Ц при их делении. –азность масс (или энергий) между €дром и составл€ющим его нуклонами называют полной энергией св€зи €дра.

Ѕез существовани€ сил прит€жени€, более интенсивных, чем электромагнитное взаимодействие, протоны самопроизвольно не могли бы образовать €дро, так как между ними существует отталкивание. —табильные €дра существуют благодар€ действию сил более интенсивных, чем кулоновские. Ёти силы получили название сильного или €дерного взаимодействи€. —ильное (€дерное) взаимодействие Ц это прит€жение, действующее между всеми нуклонами в равной сте-

пени. –адиус его действи€ составл€ет

10-13 см. »нтенсив-

ность сильных взаимодействий внутри €дра посто€нна и быстро спадает на его границе.

ѕротоны, благодар€ €дерным силам, прит€гивают друг друга и в то же врем€, благодар€ кулоновскому взаимодействию, отталкивают друг друга. Ќейтроны же не имеют электрического зар€да и поэтому лишь прит€гивают другие нейтроны или протоны.

–адиоактивность. ¬ 1896 году ј. Ѕеккерель44открыл, что соли урана испускают невидимые лучи. –езерфорд установил, что эти лучи состо€т как минимум из двух компонент, имеющих разную проникающую способность, а французский физик ѕ. ¬илар в 1900 г. установил, что существует и треть€ компонента, наиболее глубоко проникающа€ в вещество. “аким образом, оказалось, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, которые –езерфорд назвал α -, β и γ лучами.

’орошо известна€ иллюстраци€ (рис. 4.11) по€вилась впервые в 1903 г. в докторской диссертации ћарии  юри45. »злучение одного вида едва проникало сквозь лист бумаги. »злучение второго вида проходило сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм. »злучение третьего вида было

особенно проникающим: оно проходило сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров и могло быть обнаружено с помощью детектора. ќказалось, что это излучение представл€ет собой фотоны высокой энергии. ¬ магнитном поле эти лучи также вели себ€ по-разному: α и β -лучи отклон€лись в противоположные стороны, а γ -лучи в магнитном поле совсем не отклон€лись.

Ѕеккерель в 1900 году установил, что β -лучи состо€т из таких же частиц Ц электронов, которые открыл “омсон. ¬ 1903 г. –езерфордом было показано, что α -лучи Ц это €дра атомов гели€. ѕри этом €дра, из которых вылетают α и β -

 

 

44 јнтуан јнри Ѕеккерель (1852Ц1908) Ц французский физик, из семьи физиков. «а открытие €влени€ естественной радиоактивности урана в 1903 г. был удостоен Ќобелевской премии. Ѕеккерель в 1901 г. обнаружил физиологическое действие радиоактивного излучени€, а также его способность ионизировать газ.

45 ћари€ —клодовска€- юри (1867Ц1934) Ц известный физик и

химик польского происхождени€. ƒважды лауреат Ќобелевской премии: по физике (1903) и химии (1911). ќсновала институты  юри в ѕариже и в ¬аршаве. ¬месте с мужем, ѕьером  юри занималась исследованием радиоактивности. —овместно они открыли элементы радий (от лат. radium Ц излучающий) и полоний. ”мерла от лучевой болезни.

 

частицы, превращаютс€ в другие химические элементы. ѕоэтому стало €сно, что лучи вылетают не из атома, а из €дра. “аким образом, €дро, как и атом, представл€ет собой сложную структуру. ¬ природе встречаетс€ много нестабильных изотопов. »х радиоактивность называетс€ естественной радиоактивностью. ƒругие нестабильные изотопы могут быть созданы в лабораторных услови€х как продукты €дерных реакций. “акие изотопы называютс€ искусственными, а их радиоактивность Ц искусственной радиоактивностью.

ѕри g-распаде €дер не происходит превращени€ одного химического элемента в другой (в этом случае €дро может из возбужденного состо€ни€ переходить в основное состо€ние €дра). “акие €дра получили название радиоактивных €дер, которые обладают свойством радиоактивности.

 

–ис. 4.11. ѕоведение α -, β -, γ -лучей в магнитном поле

јльфа-распад Ц это самопроизвольное превращение ис-

Æ ÆЦ4

ходного €дра ZX в €дро ZЦ2X c испусканием α -частицы, т.е. массовое число уменьшаетс€ на 4, а атомный номер Ц на 2. јльфа-распад €дер обусловлен тем, что сильное взаимодействие не в состо€нии обеспечить стабильность т€желых €дер. Ёто характерно дл€ €дер с зар€дом Z > 83 и отдельных €дер при Z < 83. —ильные взаимодействи€ вследствие их короткодействи€ св€зывают только соседние нуклоны, в то врем€ как кулоновское отталкивание действует в объеме всего €дра.

Ќестабильность €дра характеризуетс€ небольшой величиной энергией св€зи радиоактивного €дра. –аспад €дер происходит, когда масса материнского €дра оказываетс€ больше суммарной массы дочернего €дра и a -частицы. ƒл€ всех ви-

дов распадов этот факт, основанный на законе сохранени€ энергии, €вл€етс€ основным условием радиоактивного распада. –азность масс выдел€етс€ в виде кинетической энергии, которую в основном уносит с собой a -частица. ѕриме-

 
ром α -распада служит распад €дра 226

Ra:

 
88Ra →

86Rn +

2He. (4.3.3)

 
Ѕета-распад €дер обусловлен испусканием либо электронов, либо позитронов. ѕри βЦ -распаде электроны возникают в результате превращени€ нейтрона в протон внутри €дра, при β+ -распаде происходит испускание позитрона €дром. Ќеобходимо подчеркнуть, что испускаемый при β аспаде электрон не имеет отношени€ к орбитальным электронам, поскольку он вылетает не с орбиты атома, а из €дра. ќн, как и позитрон, рождаетс€ внутри €дра. Ёто происходит в процессе, когда один из нейтронов €дра превращаетс€ в

протон и при этом (дл€ сохранени€ зар€да) испускает электрон:

n → p + eЦ+ ν. (4.3.4)

јналогично, внутри €дра протон превращаетс€ в нейтрон, испуска€ позитрон:

p Ѓ n + e + + n ˜. (4.3.5) ѕри β -распаде по€вл€етс€ нова€ частица, получивша€ название нейтрино ν (в переводе с италь€нского Ц Ђнейтрончикї). ќна была открыта из анализа законов сохранени€ энергии и импульса. ќказалось, что эта частица очень слабо взаимодействует с веществом. ќна проходит сквозь «емлю и при этом может ни разу не провзаимодействовать с ней. „астица была предсказана ¬. ѕаули в 1930 г., а открыта экспериментально в 1957 г.

ѕозднее оказалось, что существует и ее античастица Ц антинейтрино v˜. β- электроны могут иметь различные скорости в широком интервале.

√амма-распад. √амма-излучение представл€ет собой фотоны высокой энергии от сотен кэ¬ и выше. –аспад €дра с испусканием γ -излучени€ во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. “ак же как атом, €дро может находитьс€ в возбужденном состо€нии. ѕри переходе

в состо€ние с более низкой энергией €дро испускает фотон, энерги€ которого варьируетс€ от нескольких кэ¬ до нескольких ћэ¬.

“ак как g -излучение не несет зар€да, при g -распаде не происходит превращени€ одного химического элемента в другой.

»ногда €дро в течение некоторого промежутка времени остаетс€ в возбужденном состо€нии, прежде чем испускает γ квант. “акое состо€ние €дра называют метастабильным, а само €дро Ц изомером. ¬озбужденное €дро может также распадатьс€ с испусканием протонов, нейтронов, α -частиц.

«акон радиоактивного распада €дер.  усок любого радиоактивного изотопа содержит огромное количество радиоактивных €дер. Ќа прот€жении некоторого времени часть €дер распадаетс€. ¬рем€ распада разных изотопов измен€етс€ в очень широких пределах от микросекунд до тыс€челетий. »звестно более 3000 видов радиоактивных €дер. »з экспериментальных исследований процесса распада стало €сно, что существует закон, по которому происходит изменение числа €дер в образце. «акон радиоактивного распада €дер в образце определ€етс€ на основе предположени€, что число распадов ∆N, происход€щих за очень короткий промежуток времени ∆t, пропорционально полному числу радиоактивных нераспавшихс€ €дер N (t) и рассматриваемому промежутку времени ∆t:

Δ N = Ц λN Δ t. (4.3.6)

 оэффициент пропорциональности λ называетс€ посто€нной распада (она различна дл€ разных изотопов). «нак Ђминусї указывает на то, что со временем число нераспавшихс€ €дер будет уменьшатьс€.

¬ начальный момент времени t = 0 число €дер было равно N 0. —оотношение (4.3.6) называетс€ законом радиоактивного распада €дер. ќно показывает, что число радиоактивных €дер, в рассматриваемом радиоактивном образце экспоненциально убывает со временем (рис. 4.12).

ƒл€ определени€ скорости распада радиоактивных €дер используют пон€тие периода полураспада. ѕериодом полураспада T1/2 изотопа называетс€ промежуток времени, за ко-

торый распадаетс€ половина исходного количества радиоактивных €дер изотопа в данном образце. ‘ормула дл€ вычислени€ периода полураспада выгл€дит следующим образом:

 

 

ѕериод полураспада

4.5 млрд лет.

 

ради€ составл€ет ~1600 лет,

(4.3.7)

урана Ц

 

–ис. 4.12. √рафик закона радиоактивного распада

дл€ изотопа углерода, его период полураспада ~ 5730 лет

¬ажной характеристикой радиоактивного источника €вл€етс€ его активность. јктивность радиоактивного вещества

показывает, сколько

в нем происходит распадов в

единицу

времени. ќтношение

количества имеющихс€ в момент вре-

мени t радиоактивных €дер N к их периоду полураспада называют активностью:

ј = N

1/ 2

≈диницей активности в системе единиц —» €вл€етс€ беккерель (Ѕк), представл€ющий собой 1 распад за 1 с.

«акон

радиоактивного распада был

успешно применен

дл€ радиоактивного

датировани€. Ётот

метод позволил по

останкам людей и животных определ€ть их возраст. —уть ме-

 
тода заключаетс€ в том, что изотоп углерода 14 C

в живые

организмы попадает из окружающей природы при употреб-

лении пищи, воды и

воздуха.

≈го концентраци€ в

воздухе,

 
где он образуетс€ под действием космических лучей на атмосферный азот, а следовательно, в растени€х и живых организмах, потребл€ющих воздух, одинакова€. ѕосле смерти поступлени€ радиоактивного углерода из воздуха в организм прекращаетс€.  онцентраци€ изотопа 14 C уменьшаетс€ экс-

поненциально вследствие его радиоактивного распада. «на€ концентрацию €дер радиоактивного углерода в природе N 0и в образце N, а также период полураспада, использу€ уравнение (4.3.6) можно определить, когда в организм перестал поступать изотоп углерода, т.е. количество лет, когда произошла смерть.

«а метод радиоуглеродного датировани€ американский физик ‘. Ћобби получил Ќобелевскую премию в 1960 г. ‘актически этот метод стал одном из наиболее надежных способов загл€нуть в прошлое.

 

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-02-12; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 2993 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

≈сли президенты не могут делать этого со своими женами, они делают это со своими странами © »осиф Ѕродский
==> читать все изречени€...

656 - | 607 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.036 с.