Лекция Атомное ядро. Дефект массы, энергия связи ядра.

1 35 Лекция 6. Элементы физики атомного ядра [] гл. 3 План лекции. Атомное ядро. Дефект массы энергия связи ядра.. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. 3. Законы сохранения при радиоактивных распадах и ядерных реакциях..атомное ядро. Дефект массы энергия связи ядра. Состав атомного ядра Ядерная физика - наука о строении свойствах и превращениях атомных ядер. В 9 году Э. Резерфорд установил в опытах по рассеянию -частиц при их прохождении через вещество что нейтральный атом состоит из компактного положительно заряженного ядра и отрицательного электронного облака. В. Гейзенберг и Д.Д. Иваненко (независимо) высказали гипотезу о том что ядро состоит из протонов и нейтронов. Атомное ядро - центральная массивная часть атома состоящая из протонов и нейтронов которые получили общее название нуклонов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 9995%). Размеры ядер порядка см и зависят от числа нуклонов в ядре. Плотность ядерного вещества как для легких так и для тяжелых ядер почти одинакова и составляет около 7 кг/м 3 т.е. см 3 ядерного вещества весил бы млн. т. Ядра имеют положительный электрический заряд равный абсолютной величине суммарного заряда электронов в атоме. Протон (символ p) - элементарная частица ядро атома водорода. Протон обладает положительным зарядом равным по величине заряду электрона. Масса протона m p = кг = 836 m e где m e - масса электрона. В ядерной физике принято выражать массы в атомных единицах массы: а.е.м. = кг. Следовательно масса протона выраженная в а.е.м. равна m p = а.е.м. Число протонов в ядре называется зарядовым числом Z. Оно равно атомному номеру данного элемента и следовательно определяет место элемента в периодической системе элементов Менделеева. Нейтрон (символ n) - элементарная частица не обладающая электрическим зарядом масса которой незначительно больше массы протона. Масса нейтрона m n = кг = 898 а.е.м. Число нейтронов в ядре обозначается. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре (число нуклонов) называется массовым числом и обозначается буквой А А = Z +. Для обозначения ядер применяется символ X где Х - химический символ элемента. Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов (Z) и разное Z

2 36 число нейтронов (). Изотопами называют также ядра таких атомов. Изотопы занимают одно и то же место в периодической системе элементов. В качестве примера приведем изотопы водорода: 3 Н обычный водород или протий Н дейтерий Н тритий. Понятие о ядерных силах. Ядра атомов - чрезвычайно прочные образования несмотря на то что одноименно заряженные протоны находясь на очень малых расстояниях в атомном ядре должны с огромной силой отталкиваться друг от друга. Следовательно внутри ядра действуют чрезвычайно большие силы притяжения между нуклонами во много раз превышающие электрические силы отталкивания между протонами. Ядерные силы представляют собой особый вид сил это самые сильные из всех известных взаимодействий в природе. Исследования показали что ядерные силы обладают следующими свойствами: ) ядерные силы притяжения действуют между любыми нуклонами независимо от их зарядового состояния; ) ядерные силы притяжения являются короткодействующими: они действуют между любыми двумя нуклонами на расстоянии между центрами частиц около -5 м и резко спадают при увеличении расстояния (при расстояниях более 3-5 м они уже практически равны нулю); 3) для ядерных сил характерна насыщенность т.е. каждый нуклон может взаимодействовать только с ближайшими к нему нуклонами ядра; 4) ядерные силы не являются центральными т.е. они не действуют вдоль линии соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. В настоящее время природа ядерных сил изучена не до конца. Установлено что они являются так называемыми обменными силами. Обменные силы носят квантовый характер и не имеют аналога в классической физике. Нуклоны связываются между собой третьей частицей которой они постоянно обмениваются. В 935 г. японский физик Х. Юкава показал что нуклоны обмениваются частицами масса которых примерно в 5 раз больше массы электрона. Предсказанные частицы были обнаружены в 947 г. английским ученым С. Пауэллом при изучении космических лучей и впоследствии названы -мезонами или пионами. Взаимные превращения нейтрона и протона подтверждаются различными экспериментами. Дефект масс атомных ядер. Энергия связи атомного ядра. Нуклоны в атомном ядре связаны между собой ядерными силами поэтому чтобы разделить ядро на составляющие его отдельные протоны и нейтроны необходимо затратить большую энергию. Минимальная энергия необходимая для разделения ядра на составляющие его нуклоны называется энергией связи ядра. Такая же по величине энергия освобождается если свободные нейтроны и протоны соединяются и образуют ядро.

3 37 Точные масс-спектроскопические измерения масс ядер показали что масса покоя атомного ядра меньше суммы масс покоя свободных нейтронов и протонов из которых образовалось ядро. Разность между суммой масс покоя свободных нуклонов из которых образовано ядро и массой ядра называется дефектом массы: m Zm m M Этой разности масс m соответствует энергия связи ядра Е св определяемая соотношением Эйнштейна: E св mс или подставив выражение для m получим: E ( Zm m св p p n n M Энергию связи обычно выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ). Определим энергию связи соответствующую одной атомной единице массы 7 8 ( a. e. м кг скорость света в вакууме с 3 м / с ): 7 6 E a. e. м ( Дж). я я. ) c Переведем полученную величину в электронвольты: E a. e. м 9344 ( МэВ). 9 6 В связи с этим на практике удобнее пользоваться следующим выражением для энергии связи: E св 9344m ( МэВ) где множитель m выражен в атомных единицах массы. Важной характеристикой ядра служит удельная энергия связи ядра т.е. энергия связи приходящаяся на нуклон:. А Чем больше тем сильнее связаны между собой нуклоны. 8 Е св Рис. А

4 38 Зависимость величины от массового числа ядра показана на рисунке. Как видно из графика сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 5-6 (Cr-Zn). Энергия связи для этих ядер достигает 87 МэВ/нуклон. С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается.. Радиоактивное излучение и его виды. Закон радиоактивного распада. Французский физик А. Беккерель в 896г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной B природы которое действовало на фотопластинку ионизировало воздух проходило сквозь тонкие металлические пластинки вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления Рис. супруги Кюри обнаружили что такое излучение свойственно не только урану но и многим другим тяжелым элементам ( торий актиний полоний 6 84 Ро радий 88 Ra ). Обнаруженное излучение было названо радиоактивным а само явление - радиоактивностью. Дальнейшие опыты показали что на характер излучения препарата не оказывают влияния вид хим. соединения агрегатное состояние давление температура электрические и магнитные поля т.е. все те воздействия которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между ними нет законы радиоактивного превращения одинаковы. Радиоактивное излучение имеет сложный состав (рис. ). - излучение представляет собой поток ядер гелия q e m me обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия с d 5 мм). - излучение поток быстрых электронов. Ионизирующая способность примерно на порядка меньше а проникающая способность гораздо больше поглощается слоем алюминия с d мм. - излучение коротковолновое электромагнитное излучение с м и вследствие этого с ярко выраженными корпускулярными свойствами т.е. яв-

5 39 ляется потоком квантов. Обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (проходит через слой свинца с d 5 см). Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращения независимо друг от друга. Потому можно считать что количество ядер d распавшихся за время dt пропорционально числу имеющихся радиоактивных ядер и времени dt : d dt d dt. Знак минус отражает тот факт что число радиоактивных ядер уменьшается. - постоянная радиоактивного распада характерная для данного радиоактивного вещества определяет скорость радиоактивного распада. d d dt dt t t t n n t n t e n t e - закон радиоактивного распада - количество ядер в начальный момент времени t - количество нераспавшихся ядер в момент времени t. Число нераспавшихся ядер убывает по экспоненциальному закону. Количество ядер распавшихся за время t определяется выражением t e. Время за которое распадается половина первоначального количества ядер называется периодом полураспада. Определим его значение. При t T / T / e n T/ n T/ 693 n T / T / n. Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах 3-7 с до 5 5 лет. Число ядер распадающихся в единицу времени называется активностью элемента в радиоактивном источнике d. dt Активность единицы массы вещества - удельная активность a. m Единица активности в Си беккерель (Бк). Бк активность элемента при которой за с приходит акт распада; [А]=Бк= расп. с

6 4 Внесистемная единица радиоактивности кюри (Ки). Ки - активность при которой за с происходит 37 актов распада. 3. Законы сохранения при радиоактивных распадах и ядерных реакциях. Атомное ядро испытывающее распад называется материнским возникающее ядро - дочерним. Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения позволяющими установить какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения являются следствием двух законов выполняющихся при радиоактивных распадах..закон сохранения электрического заряда: сумма зарядов возникающих ядер и частиц равна заряду исходного ядра..закон сохранения массового числа: сумма массовых чисел возникающих ядер и частиц равна массовому числу исходного ядра. Альфа распад. 4 - лучи представляют собой поток ядер He. Распад протекает по схеме Z 4 4 X Y He Z Х химический символ материнского ядра Y - дочернего. Альфа распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром - лучей. Из схемы видно что атомный номер дочернего ядра на единицы меньше чем у материнского а массовое число на 4 единицы т.е. элемент получившейся в результате - распада будет расположен в таблице Менделеева на клетки левее исходного элемента. Пример: 34 4 U Th He Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения - частица тоже не существует в готовом виде в ядре а возникает в момент его радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра -х протонов и -х нейтронов. Бета распад. -распад или электронный распад протекает по схеме Z X Y e. Z Z Y Получающийся в результате элемент будет расположен в таблице на одну клетку правее (смещен) относительно исходного элемента. Бета распад может сопровождаться испусканием - лучей. Гамма излучение. Экспериментально установлено что излучение не является самостоятельным видом радиоактивности а только сопровождает - и -распады возникает при ядерных реакциях торможении заряженных частиц их распаде и т.д.

7 4 Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка -5 м т.е. до расстояний на которых возможно действие ядерных сил r

-5 м. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция взаимодействия легкой частицы " " с ядром Х в результате которого образуется легкая частица "в" и ядро Y. X Y в Х исходное ядро Y- конечное ядро. -частица вызывающая реакцию в частица получающаяся в результате реакции. В качестве легких частиц а и в могут фигурировать нейтрон n протон p дейтрон 4 - частица Не - фотон. В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения: ) электрических зарядов: сумма зарядов ядер и частиц вступающих в реакцию равна сумме зарядов конечных продуктов (ядер и частиц) реакции; ) массовых чисел; 3) энергии; 4) импульса; 5) момента импульса. Энергетический эффект ядерной реакции может быть рассчитан путем составления энергетического баланса реакции. Количество выделяющейся и поглощающейся энергии называется энергией реакции и определяется разностью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных продуктов ядерной реакции. Если сумма масс образующихся ядер и частиц превосходит сумму масс исходных ядер и частиц реакция идет с поглощением энергии (и наоборот). Вопрос о том при каких превращениях ядра происходит поглощение или выделение энергии можно решить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа А (рис.). Из графика видно что ядра элементов начала и конца периодической системы менее устойчивы т.к. у них меньше. Следовательно выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер так и при реакциях синтеза легких ядер. Данное положение является исключительно важным поскольку на нем основаны промышленные способы получения ядерной энергии.