Атомное ядро. Элементарные частицы Строение атомных ядер. Свойства ядерных сил

и зарядовое числа. Нуклоны.

Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка,

Схема опыта Э. Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер (1919 г.)

p = 1,60217733·10–19 Кл

mp = 1,67262∙10–27 кг=1,007276  а. е. м.

 1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.
протоны входят в состав ядер атомов

mn = 1,67493∙10–27 кг = 1,008665 а. е. м.
Открытие нейтрона

гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер.

Протоны и нейтроны -

«нуклид».
X- символ химического элемента
Основные характеристики частиц, входящих в состав

1эВ = 1.6·10-19Дж, масса в 1 МэВ рассчитана с использованием формулы на E = mc2

большое количество изотопов (Sn – 30 изотопов, 10 из них

В ядерных реакциях получено > 1800 изотопов (~100 из них в трансурановой области, лежащей за 92U)

В зависимости от значений Z, A, N различают :

«Изотоп» - «то же самое место» - все изотопы данного элемента в одном месте таблицы.

сил:

между нуклонами (1947 - в космическом излучении (Пауэлл и Оккиалини),

π+-мезоны, π -- мезоны (׀q׀=׀e׀, m=273mе),
нейтральные π0- мезоны (׀q׀=0׀, m=264mе)
Спин π-мезонов =0, нестабильны. Время жизни π+ и π- - 2,6.10-8 с, π0 -0,8.10-16 с.

~10-14÷10-15 м (

объем ядра ~ числу нуклонов в ядре А, А~m → средняя ρ ядерного вещества практически одинакова, не зависит от Z.

свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений.
→ В теории

1. Недостаточность знаний о ядерных силах, действующих между нуклонами.

Капельная и оболочечная модели основаны на аналогии свойств атомных ядер со свойствами жидкой капли и электронной оболочки атома.

Попытки создать теорию, достаточно точно описывающую многообразие свойств ядер, наталкиваются на :

Модели атомного ядра: капельная, оболочечная.

2. Трудность точного решения квантовых уравнений, описывающих движение большого числа нуклонов в ядре.

3. Трудность учета движения нуклонов вследствие сильного взаимодействия между ними.

молекул → малая сжимаемость. Ядра – практически одинаковая ρ, не

Модель используют при описании реакций, происходящих при столкновении с ядрами других ядер, нуклонов и других частиц.

В капле и ядре – определенная подвижность частиц. Объем капли и ядра ~ числу составных частиц.

Капельная – первая простейшая модель ядра (Я.И. Френкель - 1939, развита Н.Бором и др.)

Аналогия поведения нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Ядро – как капля заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной.

Силы между нуклонами короткодействующие (как и между молекулами в жидкости).

Позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций, реакций деления ядер.
Не смогла объяснить повышенную стабильность некоторых ядер.

126, 152. Называют магическими, у которых магические числа р и

При столкновении 2-х нуклонов – обмен их Екин.

Из решения уравнения Шредингера для движущегося в самосогласованном поле нуклона → нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, характеризуемых определенными Ψ и индивидуальными числами n и l .

Оболочечная – М. Гепперт-Майер и И. Иенсен 1940-1950.

Отдельные нуклоны в ядрах движутся независимо в усредненном поле нуклонов. Это поле является сферическим потенциальным (самосогласованным). Введение этого одинакового для всех нуклонов поля позволяет рассматривать движение отдельного нуклона → сводить задачу многих тел к задаче 1-го тела.

По модели, нуклоны распределены по дискретным энергетическим уровням, заполняемых согласно принципа Паули, устойчивость ядер связывают с заполнением уровней (ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы)..

Модель позволила описать основные свойства ядер в невозбужденном состоянии, объяснить спины и магнитные моменты ядер, периодичность свойств ядер.

суммой масс нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра – дефект

E = mc2→ изменению массы соответствует изменение энергии → при образовании ядра должна выделяться
E = Δmc2

Измерения массы ядер: mя < Zmp+ (A – Z)mn

В таблицах обычно не mя, а массы ma атомов → для нахождения Δm пользуются

Δm = [ZmH+ (A – Z)mn] – ma
(mH - масса атома водорода, ma - масса атома исследуемого элемента).

Из закона сохранения энергии: для разделения ядра на составляющие его нуклоны необходимо затратить такое количество энергии, которое выделяется при его образовании

Энергия связи ядер

ядро на отдельные нуклоны.
Eсв = [Zmp + (A – Z)mn

Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.
Характеризует устойчивость атомных ядер – с ↑εуд ядро устойчивее.

ядра средней части таблицы Менделеева.

на более легкие (переходим из конца таблицы в ее середину,

2. Слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые - термоядерная реакция → переход из начала таблицы в середину, выделяется очень большая энергия → реакции синтеза тяжелых ядер из легких энергетически более выгодны.

Деление ядер U или Pu под действием захватываемых ядрами нейтронов - в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы.

Термоядерные реакции – в недрах Солнца и звезд, при взрывах водородных бомб.

,
в состав которого входят два протона и два нейтрона.

химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц
Искусственная

Естественная радиоактивность – радиоактивность у существующих в природе неустойчивых изотопов.

1896 – А.Беккерель – U-соль испускает лучи, проходящие через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, ионизируют воздух становится проводником электричества.

Э.Резерфорд – Эти лучи содержат минимум 2 компоненты, различающиеся проникающей способностью.
Менее проникающее излучение – α-лучи, более – β-лучи.

1900 - П.Виллар – Третий компонент радиоактивного излучения - γ-лучи.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений.
К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.

элементов с Z < 83 имеются отдельные радиоактивные изотопы.
Радиоактивное излучение

В 1898г. французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Ро и радий Rа

Установлено: все воздействия (механическое, давление, температура, электрическое и магнитное поля) не влияют на характер радиоактивного излучения.

уменьшение их числа за промежуток dt
dN = –λ N dt

λ - постоянная для данного радиоактивного элемента, определяет вероятность распада каждого отдельного ядра атома за 1 с - постоянная радиоактивного распада;
«-» показывает, что число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает.

число нераспавшихся ядер уменьшается в е раз.
Для описания радиоактивного распада

2. Период полураспада (Т) – промежуток времени, по истечении которого начальное число N0 ядер радиоактивного вещества уменьшается вдвое.

Т ядер от 10-7 до 1016 лет (238U  ≈ 4,5 млрд лет, 226Rа – 1620 лет, 23Mg – 11,6 с)

– число ядер, распавшихся за единицу времени.
Единицей активности в системе

смещения, являющимися следствием законов сохранения электрического заряда и массового числа.
Длина

(позитронов) при β-распаде непрерывен (в отличие от α-частиц), с резко

N – число частиц с данной Е. Иногда обозначают dN/dt (dN – число электронов, энергия которых заключена в интервале dЕ).

=> Распады, при которых Е электрона < Еmax , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Введение ν(ν), обладающих энергией, решает проблему.

2. При β-распаде число нуклонов в ядре не изменяется (не изменяется массовое число А). Не должен меняться спин ядра.

Вылет электрона должен изменить спин ядра на ½ħ. Противоречие закону сохранения импульса спина.

Введение ν(ν), имеющего спин ½ħ, устраняет кажущееся нарушение закона сохранения спина.

1956 – Дэвис- экспериментальное доказательство существования ν; Ли, Янг, Ландау – ν и ν имеют нулевую массу покоя, отличаются направлением спинов ( у ν - против движения, у ν - по движению).

антинейтрино при участии тяжёлого W бозона

и нулевой (скорее < 10-4me) массой покоя. Проникающая способность нейтрино

Позитрон. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г.

Бета- распад

Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Луис Уолтер Альварес
Если возникшее ядро в возбужденном состоянии → испускание

Ядро поглощает К-электрон (реже L- или M-электрон) атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон, испуская нейтрино:

Для ядер с Z < 100 (без исключения) существуют нестабильные изотопы, обладающие β+-активностью. Выделяемая в процессе распада энергия 0.02 ÷ 16.6 МэВ.

α-распад наблюдается только у самых тяжелых ядер, β-активные ядра более многочисленны.

Период полураспада β-активных ядер от 10-2 с до 4.1012 лет .

γ-квантов (фотонов).
Не отклоняется э/ м полем. Слабая ионизирующая способность, большая

Излучение ядрами γ-квантов не самостоятельный процесс. γ-излучение сопровождает α- и β-распады, не приводит к изменению структуры ядер. Может возникать при ядерных реакциях, торможении заряженных частиц.

Падая на кристалл γ-излучение дает явление дифракции.

Опасно для биологических объектов !

γ-излучение испускается дочерним ядром. Если в момент образования оно в возбужденном состоянии → через 10-13÷10-14 с переходит в основное состояние с испусканием γ-квантов.

γ-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп γ-квантов с отличающимися энергиями.
При радиоактивных распадах ядер γ-кванты имеют энергии от 0,01 до 5 МэВ.

γ-спектр (распределение γ-квантов по энергиям) является линейчатым.

При γ-излучении А и Z числа не меняются → оно не описывается правилами смещения.

сил.
При прохождении вещества толщиной dх интенсивность излучения меняется на dI
Прохождение

μ – линейный коэффициент поглощения, зависит от свойств вещества и энергии γ-квантов

Зависимость интенсивности γ-излучения I на глубине х от I0 падающего узкого пучка на вещество и от μ.

Ослабление интенсивности γ-излучения – результат взаимодействия γ-квантов с электронной оболочкой атомов вещества и с их ядрами.

процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон.
Фотоэффект происходит

Электрон выбивается из внутренних оболочек атома, освободившееся место заполняется е из вышележащих оболочек → фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Фотоэффект – преобладающий механизм поглощения γ-квантов при Еγ ≤ 100 кэВ, т.е. менее 0,1 МэВ.
При Еγ ≈ 0,5 МэВ вероятность фотоэффекта мала. Основной механизм в этом случае →

2. Комптоновское рассеяние – упругое рассеяние коротковолнового э/м излучения (рентгеновского и γ) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

При ↑Е γ-квантов до Е > 1,02 МэВ (=2mес2) становится возможно →

с ростом Еγ. При очень больших энергия (Еγ ≈ 10

При прохождении возникшего электрона через вещество, он может тормозиться :

Возникает снова γ-квант, называемый тормозным.
Взаимодействует с ядром → рождение новой е-е+ пары.
→ Электронно-фотонная лавина.
Процесс прекращается, когда Е образовавшихся частиц станет меньше критической.

4. Если Еγ превышает энергию связи нуклонов (7-8 МэВ), может наблюдаться ядерный фотоэффект – выброс из ядра одного из нуклонов (чаще протона).

α-, β-распады (в том числе электронный захват), γ-излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, протонную радиоактивность (ядро испускает 1 или 2 протона – 1969 – Флеров) относят к числу радиоактивных процессов.

см - благодаря действию ядерных сил.
Ядерная реакция – искусственное превращение

a и b – нейтрон, протон, дейтрон, α-частица, γ-фотон

Наиболее распространенный вид ядерной реакции – взаимодействие легкой частицы a с ядром X

выход ядерной реакции:
Q = (MX + Mа – MY – Mb)c2 = ΔMc2
Сумма масс исходных ядер больше суммы масс

Н. Бор – вызываемые быстрыми частицами ядерные реакции протекают в

С поглощением энергии – эндотермические реакции.

Тепловой эффект (энергия реакции) – количество выделяющейся энергии (> 0 или < 0).

Промежуточное ядро называют составным ядром или компаунд-ядром. Оно в возбужденном состоянии.

2. Составное ядро испускает частицу b.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Называют прямыми ядерными взаимодействиями.

1. Ядро Х захватывает приблизившуюся к нему частицу а, образуя промежуточное ядро П («ядро-мишень» Х сливается с бомбардирующей частицей а, образуя новое ядро П).

Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер → реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции.

Время жизни составного ядра 10-14 ÷10-12 с.

При ядерных реакция выполняются закон сохранения: электрического заряда, числа нуклонов, энергии, импульса, момента импульса.

нейтронов был больше единицы.
1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман
Деление

США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был

являются:

световое излучение
ионизирующее излучение
ударная волна
радиоактивное заражение
электромагнитный импульс
психологическое воздействие


изменения в половой системе
склеротические

Japanese woman suffering burns from thermal radiation after the United States dropped nuclear bombs on Japan in World War II.

(~0,35 МэВ), соответствует Т~2.109 К. На поверхности Солнца 6000 К,

Для осуществления реакции синтеза ядра надо сблизить на расстояние действия ядерных сил (~10-14÷10-15 м). Для этого нужно преодолеть кулоновское отталкивание (р и др. легкие ядра заряжены «+»).

Слияние легких ядер в одно ядро (ядерный синтез) сопровождается выделением большой энергии.

Термоядерный синтез.

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:





Недостаток её- выход нежелательной нейтронной радиации.

При относительно низких температурах (~107 К). Протонно-протонный цикл
Два пути синтеза

Идея о термоядерном происхождении звезд - 1929 – Фридрих Хоутерманс.

углеродно-азотный цикл (Ханс Бете)
Энергия, выделяющаяся на одно ядро гелия –

магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не

Международный экспериментальный термоядерный реактор

Использование термоядерных реакций → не будет загрязнения окружающей среды (не образуются радиоактивные изотопы, в отличие от реакций деления ядер).

Управляемый термоядерный синтез - практически неисчерпаемый источник энергии.

Дейтерий для (1) содержится в морской воде (НDО и D2О) – хватит на сотни миллионов лет. Тритий → путем облучения жидкого лития (запасы велики) нейтронами от ядерного реактора (реакция 2).

105÷106 т) уничтожит все живое на 140 км от эпицентра
Н-бомба

новые частицы «посыпались как из рога изобилия».
Для объяснения ядерных

Элементарные частицы – микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц.

1932 – весь мир можно построить из 4 элементов –
света (фотонов), протонов, нейтронов, электронов.

Элементарные частицы. Систематика элементарных частиц.

«Элементарная частица» – общее название частиц, не являющихся атомами или ядрами (исключение – атом водорода – протон).

Ранее атомы считали «кирпичиками», из которых построен мир. Атомы оказались «делимы» → поиск основных элементов Вселенной.

характер.
В этом излучении есть все известные в настоящее время элементарные

1. Общее число элементарных частиц (вместе с античастицами) более 400.

Свойства элементарных частиц:

2. Стабильные элементарные частицы – электрон е-, позитрон е+, протон р, нейтрон n, фотон, электронное нейтрино νе и антинейтрино νе.

Остальные нестабильны, образуются во вторичном космическом излучении или с помощью ускорителей.

Космическое излучение

Первичное
непрерывно падающий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии ~10 ГэВ, отдельных частиц 1010 ГэВ.

Вторичное
при неупругом соударении частиц первичных лучей с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы.

(1935).
π+-мезоны, π -- мезоны (׀q׀=׀e׀, m=273mе),
нейтральные π0- мезоны (׀q׀=0׀,

μ-, μ+-мезоны, (׀q׀=׀e׀, m=207mе=106 МэВ),
Спин мюона =1/2, нестабильны.
Время жизни - 2,22.10-6 с

ливней) электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада π0 - мезона

В составе вторичных космических лучей выделяют:

Рождение пар и возникновение γ-фотонов идет, пока энергии фотонов достаточно для образования пар.

2. Жесткая компонента – не проникает через большие толщи Рb.

Состоит в основном из мюонов. Образуется преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π - мезонов.

Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле.

или ГэВ в соответствии с Е=mс2 .
Среднее время жизни (τ).

Наиболее короткоживущие частицы - резонансы – имеют τ < 10-22 с.

Спин J – собственный момент импульса частицы, в единицах ħ.

Электрический заряд (q) – характеризует способность частиц участвовать в э/м взаимодействии.

Вектор собственного магнитного момента характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем.

Магнитные моменты выражают в единицах магнетона Бора

помощью камеры Вильсона в космическом излучении.
Одинаковая масса m, время жизни

Позитроны образуются при соударении фотонов большой энергии с атомными ядрами. Встречаясь друг с другом аннигилируют.

Частицы, не имеющие античастиц, называют абсолютно нейтральными (фотон, π0-мезон, η-мезон). Не способны к аннигиляции.

У частиц есть античастицы. П. Дирак – 1930.

Взаимопревращение элементарных частиц – одно из их фундаментальных свойств.

Образующиеся частицы не содержатся в исходных, рождаются в процессах их соударения или распада.

участвуют.

6 антилептонов считаются истинно элементарными частицами, адроны – составными частицами,

Существуют 6 типов кварков, их называют ароматами. Образуют 3 дублета (u, d), (с, s), (t, b).

Доказательство составного характера адронов:

2) большинство адронов нестабильны

3) обнаружена внутренняя структура адронов

Кваркам приписывают дополнительные характеристики – «цвет» (новое квантовое число) – красный (R), зеленый (G), голубой (B).
Существует 3 сорта кварков каждого из 6 типов.

space (including hypothetical non-observable portions of the Universe) is represented

Artist's depiction of the WMAP satellite gathering data to help scientists understand the Big Bang

components of the Universe, according to the best ΛCDM model