Элементы физики атомного ядра

Опыты показали, что на характер радиоактивного излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состоянии электронной оболочки атома. радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра.

Опр.39.1. Радиоактивность - способность атомов к превращению, которое сопровождается испусканием излучения и 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 этими двумя типами радиоактивности нет, - законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Опр.39.2. Радиоактивным распадом называют естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

Опр.39.3. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро –дочерним, если последнее тоже распадается, то иногда говорят о «внучатом» ядре. материнское ядро, символ дочернего ядра.

Радиоактивное излучение бывает трех типов:

1. излучение. Представляет собой частицы , т.е. ядра гелия. Заряд частицы:+2e;  масса совпадает с массой ядра изотопа гелия; отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. С испусканием частиц распадаются только ядра с А>200. Правило смещения:

Энергетический спектр дискретный -  имеет «тонкую структуру»- испускается несколько групп частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практически постоянны.

2. излучение - поток быстрых электронов; отклоняется электрическим и магнитным полями в противоположную от частиц сторону; ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), проникающая способность гораздо больше; сильно рассеивается в веществе, -зависит от свойств, размера и формы тел, на которые излучение  падает. Электрон возникает в результате превращения нейтрона в протон:

                                                 нейтрон  →   протон       +    электрон   +  антинейтрино

Антинейтрино не имеет массы покоя и заряда. Уносит часть энергии распада – возникающие при распаде частицы имеют неодинаковую энергию. Т.к. испускается электрон, а А не меняется, то Правило смещения:

Энергетический спектр непрерывен.

3. излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны м — ярко  выраженными  корпускулярными свойствами, т. е. является  потоком частиц - квантов (фотонов); не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает слабой ионизирующей способностью и большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Не является самостоятельным излучением - испускание квантов соответствует или распаду, после которого в ядре осуществляется перестройка: ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Заряд ядра и массовое число остаются неизменными.

Имеет линейчатый спектр – распределение числа квантов по энергиям. Испускается дочерним ядром. Энергия

При искусственных превращениях ядер:

излучение – позитроны (положительные электроны), отличаются от электронов знаком заряда. Испускается ядрами с избытком протонов. Позитрон возникает в результате превращения протона в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино

                                                 протон    →      нейтрон   +   позитрон  +  нейтрино

нейтрино – нейтральная  частица, не имеет заряда и массы  покоя (или очень маленькую, <10^-4м). Уносит часть энергии распада – возникающие при распаде частицы имеют неодинаковую энергию. Т.к. испускается электрон, а А не меняется, то Правило смещения:

Энергетический спектр непрерывен.

Правила смещения являются следствием законов, выполняющихся при радиоактивных распадах – сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

§ 40. Закон радиоактивного распада.

Теория радиоактивного распада  строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики.

Пусть за время  распадается ядер. Величина пропорциональна числу имеющихся способных к распаду ядер.

где — постоянная для данною радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада: знак минус указывает что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Если  число ядер в начальный момент времени,

N- число ядер, нераспавшихся по прошествии времени t, то разделив переменные и интегрируя,

,                        ,                      ,

Закон радиоактивного распада:          

Число атомов, распавшихся  за время      .

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада и среднее время жизни радиоактивного ядра.

Период полураспада - время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. 

                        .

Если промежуток времени  очень мал по сравнению с периодом полураспада , то для определения числа распавшихся атомов служит приближенная формула         

 

Среднее время  жизни  радиоактивного ядра: - среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада К.

Число атомов, содержащихся в образце нуклида:               ,

где масса образца, масса килограмм-атома нуклида, число Авогадро.

Если радиоактивный  изотоп X помещен в закрытый сосуд и при распаде его образуется радиоактивный изотоп Y, то в этом сосуде по истечении времени число ядер изотопа Y определяется как .

Если период полураспада изотопа X значительно больше периода полураспада изотопа Y, то

Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:

        или        .

Активность образца в начальный  момент времени (при  )   .

Активность образца изменяется со временем по тому же закону, что и число нераспавшихся ядер:

Единица активности в СИ-беккерель (Бк): 1 Бк -  активность нуклида, при  которой за 1 с происходит один акт  распада. До сих пор в ядерной  физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике -  кюри (Ки): 1 Ки =3,7∙10¹⁰ Бк.

 Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.

Из правил смещения вытекает, что массовое число при  распаде уменьшается на 4, а при распаде не меняется. Поэтому для всех ядер одного и того же радиоактивного семейства остаток от деления массового числа на 4 одинаков. 

Существует четыре различных  радиоактивных семейства, для каждого  из которых массовые числа задаются одной из следующих формул:                                                        A=4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3,

где п — целое положительное число. Семейства называются по наиболее долгоживущему (с наибольшим периодом полураспада) «родоначальнику»: семейства тория (от ), нептуния (от ), урана (от ) и актиния (от ). Конечными нуклидами соответственно являются т. е. единственное семейство нептуния (искусственно-радиоактивные ядра) заканчивается нуклидом Bi, а все остальные (естественно-радиоактивные ядра) — нуклидами РЬ.

Радиоактивное равновесие: если имеется смесь ряда радиоактивных веществ, образующихся одно из другого, и если постоянная распада первого члена ряда много меньше постоянных всех остальных членов ряда, то в смеси устанавливается состояние радиоактивного равновесия, при котором активности всех членов ряда равны между собой:                

§ 41. Ядерные  реакции и их основные типы

Ядерные  реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с квантами) или друг с другом.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция      или

где Х и Y — исходное и конечное ядра, а и b - бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

Напр.                                                   или                   

В ядерной физике эффективность  взаимодействия характеризуют эффективным сечением . С каждым видом взаимодействия частицы с ядром снизывают свое эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния определяет процессы рассеяния, эффективное сечение поглощения — процессы поглощения. Эффективное сечение ядерной реакции                          

где   число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объема ядер, число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной их. Эффективное сечение п имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдет реакция.

Единица эффективного сечения ядерных  процессов – барн (1 барн= ).

Законы сохранения:

• электрического заряда: ;
• числа нуклонов: ;
• релятивисткой полной энергии: ;
• импульса: ;
• момента импульса.

Если общее число ядер и частиц, образовавшихся в результате реакции, больше двух, то запись соответственно дополняется.

Энергия реакции: в отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Энергетический эффект ядерной  реакции ,

где масса покоя ядра-мишени, масса покоя бомбардирующей частицы, сумма масс покоя ядер продуктов реакции.

Если  , то энергия освобождается, энергетический эффект положителен, реакция экзотермическая.

Если  , то энергия поглощается, энергетический эффект отрицателен, реакция эндотермическая.

 

Предположение Н. Бора (1936): ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

 

Первая  стадия — это  захват  ядром Х частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно ), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон— ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, содержащее один протон и один нейтрон) или частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате возможна вторая стадия ядерной реакции - распад составного ядра на ядро Y  и частицу .

В ядерной физике вводится характерное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра .

За время жизни составного ядра может произойти очень много  столкновений нуклонов между собой, т. е. перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно. Следовательно, составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускание им частицы ) — вторая стадия ядерной реакции — не зависит от способа образования составного ядра — первой стадии.

   Если испущенная частица тождествен на с захваченной , то эта схема описывает рассеяние частицы: упругое —при , неупругое   при . Ecли же испущенная частица не тождественна с захваченной , то имеем дело с ядерной реакцией в прямом смысле слова.

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

Классификация ядерных реакций:  

1) по роду участвующих в них частиц:

• реакции под действием нейтронов;
• реакции под действием заряженных частиц (например, протонои, дейтронов, частиц);
• реакции   под   действием квантов;