Элементы физики ядра (стр. 1 из 2)

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА

Содержание: Строение атомного ядра. Модели ядра. Природа ядерных сил. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада, α –, β – и γ – излучение атомных ядер.

Строение атомного ядра

Состав ядра

Атомное ядро это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена вся масса атома.

Атомное ядро любого химического элемента (кроме атома водорода) состоит из протонов и нейтронов (рис. 12.1). Эти частицы называются нуклонами.

Рис. 12.1

Характеристики нуклонов	Протон (p)	Нейтрон (п)
Электрический заряд	Кл	0
Масса	кг = 1,00759 а.е.м. = 938.28 МэВ	кг = 1,00898 а.е.м. = 939.55 МэВ
Массав	1836	1839
Спин

[

– масса электрона; e– элементарный заряд, – постоянная Планка; протоны и нейтроны являются фермионами, а.е.м. – атомная единица массы. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): 1 а.е.э.=931.5016 МэВ.]

Магнитные моменты протона и нейтрона соответственно равны:

, ,

где

– ядерный магнетон.

Характеристики атомного ядра

Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зарядовое Z и массовое А числа.

Характе-ристика	Обозначение	Определение
Зарядовоечисло	Z	Равно числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов
Массовоечисло	A=Z+N	Равно числу нуклонов в ядре (числу протонов Z и нейтронов N)
Зарядядра	+Ze	Поскольку атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме

Итак, число Z равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд Ze. Его также называют атомным номером. Массовое число А определяет число нуклонов в ядре. Число же нейтронов в ядре

N = А – Z.

Символически эти характеристики ядра обозначают так:

Изотопы, изобары, изотоны

Изотопы	Изобары	Изотоны
Атомные ядра одного и того же элемента с различным числом нейтронов	Атомные ядра различных элементов с одинаковым массовым числом	Атомные ядра различных элементов с одинаковым числом нейтронов
Изотопы имеют одина-ковые Z, но разные А	Изобары имеют одинаковые А, но разные Z	Изотоны имеют одина-ковые N, но разные Z и А
Пример: водород дейтерий тритий	Пример: , ,	Пример: , ,

Дефект массы и энергия связи ядра

Для того чтобы разделить ядро на отдельные свободные нуклоны необходимо произвести работу

против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Ясно, что эта работа .

Известно, что энергия покоя частицы связана с ее массой как

. Значит, энергия покоя ядра меньше суммы энергий покоя свободных нуклонов, входящих в состав данного ядра, на величину работы . Из закона сохранения энергии имеем:

.

На практике используется не работа, а величина, определяемая с обратным знаком и называемая энергией связи ядра,

. Тогда закон сохранения энергии можно записать в виде

.

Перепишем это выражение через массы атомов, которые содержатся в физических таблицах. Для этого добавим и вычтем к правой части предыдущего равенства массу электронов, содержащихся в атоме, т.е.

:

Здесь

– масса атома водорода , – масса атома. Итак,

.

В физических таблицах обычно приводятся не массы

ядер, а массы т атомов. Так как на величину ,то во второй формуле первый член в квадратных скобках включает в себя массу Z электронов. Но масса атома отличается от массы ядра как раз на Z электронов, поэтому вычисления по обеим формулам приводят к одинаковым результатам.

Величина

называется дефектом массы ядра.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон,

,

называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. На рис. 12.3 изображена зависимость удельной энергии связи от массового числа A.

Рис. 12.3

Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50–60 (от Cr до Zn). Для них

МэВ/нуклон. С ростом A

уменьшается. Так для урана

МэВ/нуклон. Это уменьшение обусловлено тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается и энергия их кулоновского отталкивания.

Такая зависимость, изображенная на рис. 12.3, делает энергетически возможными два процесса:

1) деление тяжелых ядер на более легкие ядра;

2) слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые ядра.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерные реакции).

Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних нестабильных атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц (Беккерель 1896).