Сегодня: воскресенье, 9 ноября 2014 г.

ТЕМА:Элементы физики атомного ядра 1. Состав и характеристика атомного ядра 2. Характеристики атомного ядра 3. Масса и энергия связи ядра 4. Ядерные силы и их свойства 5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада 6. Основные типы радиоактивности 7. Закономерности радиоактивных распадов 8. Ядерные реакции и их основные типы

1. Состав и характеристика атомного ядра Протон (р) обладает положительным зарядом e и массой

Нейтрон (n) обладает нулевым зарядом зарядом и массой n = p + e + ν

2. Характеристики атомного ядра Основные величины, характеризующие атомное ядро: зарядовое число Z (атомный номер в ПС элементов), равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд Ze; массовое число А определяет число нуклонов в ядре. Число нейтронов в ядре N=A-Z

ИзотопыИзобарыИзотоны Нуклиды с одинаковым числом протонов Нуклиды с одинаковым числом нуклонов Нуклиды с одинаковым числом нейтронов

Размеры ядра

Спин ядра – слагается из спинов нуклонов и их орбитальных моментов. Определением спина является одно число спина, которым является максимальная проекция спина на произвольную ось Z. В основных состояниях всех стабильных ядер их спин 9/2. Это свидетельствует о том, что моменты импульса большинства нуклонов в ядре компенсируют друг друга, располагаясь «антипапараллельно». У всех ядер с четными числами протонов и нейтронов спин основного состояния равен нулю. Со спином ядра связан магнитный момент. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к дополнительному расщеплению энергетических уровней и наблюдается сверх тонкая структура спектральных линий.

3. Масса и энергия связи ядра

Удельная энергия связи

4. Ядерные силы и их свойства Протонно-нейтронная модель 1. зарядовая независимость; 2. короткодействующий характер (ядерные силы действуют на расстояниях, не превышающих 2·10-15 м); 3. Эти силы не являются центральными. Они зависят от ориентации спинов нуклонов. 4. насыщаемость (ядерные силы удерживают друг возле друга не больше определенного числа нуклонов). Свойства ядерных сил:

Механизм взаимодействия нуклонов Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется посредством силовых полей. Квантовая физика также учитывает такое представление, но с учетом квантовых свойств самого поля:всякому полю должна соответствовать определенная частица – квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. Обмен частицами лежит в основе всех взаимодействий и является фундаментальным квантовым свойством природы.

Квантовая природа подобных процессов взаимодействия заключается в том, что они могут происходить только благодаря соотношению неопределенностей. По классическим законам такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии. Квантовая теория этот запрет устраняет. Согласно ей энергия состояния системы, существующего в течение времени t, оказывается определенной лишь с неопределенностью Е, удовлетворяющей соотношению Е·t ~ h.

Модели ядра Капельная модель. В капельной модели ядро рассматривается как сферическая капля несжимаемой заряженной ядерной жидкости радиуса R = r 0 A 1/3. То есть в энергии связи ядра учитываются объемная, поверхностная и кулоновская энергии. Дополнительно учитываются выходящие за рамки чисто капельных представлений энергия симметрии и энергия спаривания. В рамках этой модели Вайцзеккером получена полуэмпирическая формула для энергии связи ядра. E св (A,Z) = a 1 A - a 2 A 2/3 - a 3 Z 2 /A 1/3 - a 4 (A/2 - Z) 2 /A + a 5 A -3/4

Первое слагаемое в энергии связи ядра, подобного жидкой капле, пропорционально массовому числу A и описывает примерное постоянство удельной энергии связи ядер. Второе слагаемое - поверхностная энергия ядра уменьшает полную энергию связи, так как нуклоны, находящиеся на поверхности имеют меньше связей, чем частицы внутри ядра. Это аналог поверхностного натяжения. Третье слагаемое в энергии связи обусловлено кулоновским взаимодействием протонов. В капельной модели предполагается, что электрический заряд протонов равномерно распределен внутри сферы радиуса R = r 0 A 1/3. Четвертое слагаемое - энергия симметрии ядра отражает тенденцию к стабильности ядер с N = Z. Пятое слагаемое - энергия спаривания учитывает повышенную стабильность основных состояний ядер с четным числом протонов и/или нейтронов.

Входящие в формулу коэффициенты a 1, a 2, a 3, a 4 и a 5 оцениваются из экспериментальных данных по знергиям связи ядер a 1 = МэВ; a 2 = 17.8 МэВ; a 3 = 0.71 МэВ; a 4 = 94.8 МэВ;

Оболоченная модель В этой модели каждый нуклон движется в усредненном поле остальных нуклонов ядра. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют особо устойчивые структуры. Таковыми являются ядра: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада Радиоактивность – спонтанный распад ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Такие ядра и соответствующие им нуклиды называют радиоактивными. Необходимое условие радиоактивного распада – масса исходного ядра должна быть больше суммы масс продуктов распада. Поэтому каждый радиоактивный распад сопровождается выделением энергии. Исходные ядра - материнские, а ядра образующиеся в результате распада, - дочерние.

Число ядер, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально числу N имеющихся ядер в этот момент и dt: -dN = λNdt, Интенсивность радиоактивного распада (активность А) – число ядер, распадающихся в единицу времени

Период полураспада Т – время, за которое распадается половина первоначального количества ядер Среднее время жизни – промежуток времени, за которое первоначальное количество ядер уменьшается в е раз.

6. Основные типы радиоактивности Альфа-распад – самопроизвольное испускание ядром α-частицы (ядра нуклида гелия)

Бета-распад – самопроизвольный процесс, в котором исходное ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом А, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ± 1. Различают три разновидности β-распада: 1.электронный β-распад, в котором ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится равным Z+1 2.Позитронный β-распад, в котором ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится равным Z -1 3.К-захват, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома и его зарядовое число Z становится равным Z -1.

Энергия β-распада

Энергия β+ распада

Энергия К- захвата

Распределение электронов по энергиям Общим свойством всех β-спектров является их плавность и наличие у каждого спектра предельной кинетической энергии W max, на котором β-спектр обрывается

Гамма-распад – испускание возбужденным ядром при переходе его в нормальное состояние γ-квантов, энергия которых лежит в пределах от 10 КэВ до 5 МэВ. Спектр испускаемых γ-квантов дискретный, т.к. дискретны энергетические уровни самих ядер.

8. Ядерные реакции и их основные типы Ядерная реакция – процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, - процесс, сопровождающийся преобразованием ядер.

Выход ядерной реакции Вероятность ядерного взаимодействия характеризуют с помощью эффективного сечения σ. Эффективное сечение интерпретируется как площадь сечения ядра Х, попадая в которую налетающая частица вызывает реакцию

Типы ядерных реакций 1.Реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, при которых имеет место захват налетающей частицы а ядром Х с образованием составного (или промежуточного) ядра: a + X С* Y + b 2. Прямые реакции, вызываемые быстрыми частицами с энергией, превышающей десятки Мэв: (d,n) или (d,р) 3. Реакции, вызываемые частицами с очень высокой энергией ( от нескольких сотен Мэв и выше

Энергия реакции