Лекции №2-3 Элементы ядерной физики

Строение ядра. Элементарные частицы. Нуклоны.
2. Масса ядра и

энергия связи.
3. Причины неустойчивости ядер.
4. Радиоактивность, единицы радиоактивности.
5. Основной закон радиоактивного распада.
6. Следствия из закона р.а. распада
7. Определение периодов полураспада

и зарядовое число
Ядро - центральная массивная часть атома, в

которой сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер составляют порядка 10-15 ÷ 10-14 м.
Ядра имеют положительный заряд, кратный элементарному заряду е.
Ядро состоит из протонов и нейтронов (?)

протонно-нейтронная теория строения ядер, согласно которой атомное ядро включает только

два типа частиц — нейтроны и протоны.
В 1932 г. Гейзенберг : в связи с близостью масс протона и нейтрона ( mp = 938,3 МэВ, а mn = 939,6 МэВ) предположил, что протон и нейтрон — различные состояния одной и той же частицы, названной им нуклоном.

самом деле динамичную систему разнообразных частиц, скоротечное образование которых, а

также их взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах.
Эти частицы получили название элементарных частиц. В первоначальном смысле элементарные частицы представлялись как частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц.

которых являются составными системами.
Элементарные частицы делятся на две группы:

адроны (от греческого hadros - «большой») и лептоны ( от греческого leptos, что значит «маленький»).
Адроны делятся на барионы (от греческого barys — «тяжелый») и мезоны (от греческого mesos — «средний»). К числу барионов относятся гипероны и нуклоны.

Множество элементарных частиц

атомных ядер.
К классу лептонов относятся электрон и нейтрино.
фотон

- не входит ни в одну из этих групп.
Практически каждая элементарная частица имеет свою античастицу.
Для объяснения явления радиоактивного распада достаточно рассмотреть : электрон, нейтрон, протон, нейтрино. античастицы, а также фотоны.

в атомных единицах массы (а.е.м.) - 1/12 часть массы атома

улерода-12.
1а.е.м.= 1.660∙10-24 г =1.660∙10-27 кг.
Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе: me= 9,1∙10-28 г (в энергетических единицах 0,511 МэВ)
Энергия. I эВ = 1,6 . I0-12 эрг = 1,6 . 10 -19 Дж
I а.е.м. = 1,660 · 10-27 · (3 · 108)2 = 1,49 · 10-10Дж = 931,5 МэВ

стабильных элементарных частиц.
Протон обозначают символом "р", он имеет следующие

характеристики.
mр=1,672614*10 -27 кг =938,28МэВ=1836 me
здесь me - масса электрона.

нулю. Масса нейтрона mn=1.6749543*10-27 кг=
1.008665 а.е.м. =939,57МэВ=

1838.6me
Так как масса нейтрона больше массы протона, то он нестабилен и распадается в свободном состоянии.

число нуклонов в ядре означается буквой А и называется массовым

числом ядра.
Число нейтронов в ядре обозначают буквой N.
Число протонов в ядре -буквой Z,
Число нейтронов : N= A-Z

элементом.
Совокупность атомов, ядра которых имеют данное число

протонов и нейтронов называют нуклидом.
Для однозначной характеристики нуклидов необходимо указывать заряд ядра Z и массовое число А (например: , и т.д.).

нуклиды одного и того же элемента называют изотопами (например:Ra-226, Ra-222);
нуклиды,

имеющие одинаковое число нуклонов - изобары ( Sr-90 и Y-90 );
нуклиды, имеющие одинаковое число протонов и нуклонов и отличающиеся только энергией связи ядра называют изомерами.

свободных нейтронов и протонов, входящих в состав ядра.
Дефект масс

- Δm= [Z∙mP + (A-Z)mn – mя ]
Энергия соответствующая этой разности масс, называется энергией связи ядра:

ΔЕ= Δm∙C2=[Z∙mP + (A-Z)mn – mя ]∙C2

ΔЕсв= [Z∙mP + (A-Z)mn – mя ]∙931 (МэВ)
931-энергия в МэВ, эквивалентная 1 а.е.м.

разделить ядро на составляющие его нуклоны и удалить нуклоны друг

от друга на такое расстояние, где они не взаимодействуют друг с другом.
Для характеристики устойчивости ядра удобно использовать энергию связи ядра приходящуюся на один нуклон: εсв= ΔЕсв/А – удельная энергия связи

6-8 МэВ.
Так почему же ядра распадаются?
Простой

подход к объяснению устойчивости.
Устойчивость ядер зависит от соотношения чисел протонов и нейтронов Сравнение εсв с np/nn :
1. Неустойчивость ядер связана с неравновесным значением np/nn в этих ядрах.
2. Наибольшую энергию связи имеют ядра середины периодической таблицы.
Четно-нечетные ядра более устойчивы.
Из нечетно-нечетных ядер стабильны только:
H-2, Li-6, B-10, N-14.

и другой (упрощенный) подход к объяснению их устойчивости и неустойчивости.

При этом кроме энергии связи ядра относительно всех его нуклонов ввели в рассмотрение энергию связи ядра относительно каких-либо других составных частей. Оказалось, что в некоторых случаях энергия связи ядра, рассчитанная по отношению к каким-либо составным частям, становится малой, а нередко и отрицательной.

равна 58 МэВ, тогда как энергия связи данного ядра по отношению

к его распаду на 2 ядра гелия и нейтрон равна всего 2 МэВ.
А энергия связи ядра урана-238 рассчитанная по отношению к торию-234 и альфа-частице –отрицательная величина;
ΔЕсв = [m(Th-234)+ m(He-4) – m(U-238)]∙931= - 4.25 МэВ.
Ядро урана - система неустойчивая, кроме того при распаде должна выделяться энергия.

самопроизвольному распаду, получившему название радиоактивный распад.
Единицы измерения количества радиоактивного

вещества:
1. Мг-эквивалент радия- количество радия в радиевых препаратах.

установлена единица Кюри - количество радона, находящегося в радиоактивном равновесии

с одним граммом радия.
Позже: 1Кюри- количество любого элемента, находящегося в равновесии с 1 г. радия.
Еще позже: Кюри - количество любого радиоактивного нуклида, в котором происходит 3,7.1010 актов распада за секунду.

не его количества.
Активность (А) радионуклида определяется как отношение числа

спонтанных ядерных превращений нуклида dN, происходящих в данном источнике за интервал времени dt, к этому интервалу:
А = dN / dt.
Единицей измерения активности в международной системе единиц (СИ) является одно ядерное превращение в секунду, называемая Беккерель, Бк.

радиоактивных атомов данного радионуклида уменьшается со временем по экспоненциальному закону

в интегральной форме:

количество радиоактивных атомов в начальный момент времени ( t=0 ),

N(t)- число ядер в момент времени t;
а - постоянная распада, характеризующая скорость уменьшения числа радиоактивных ядер, с-1. Знак “ – “указывает на то, что в ходе распада количество радиоактивного вещества убывает.

величину не влияют внешние условия и химическая форма состояния вещества

практически для всех типов распада. Исключение составляет электронный захват.
Второй важной характеристикой любого радионуклида является период полураспада- время, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного препарата, Связь между периодом полураспада и постоянной распада выражается:

ядра равно величине, обратной от постоянной распада , т.е.

за это время начальное число ядер уменьшается в e раз.

dt. Тогда, активность A образца - это среднее количество ядер

образца, распадающихся в единицу времени, тогда

Уменьшение абсолютной активности также подчиняется экспоненциальному закону:

при n=10T1/2
A(t)= 0,001A(0), т.е.0.1%.Отсюда следует так называемое правило

десяти периодов полураспада, т.е. промежутка времени, за который распадается практически все вещество. Однако остаточное количество радиоактивных ядер, равно как и остаточная активность по истечении 10T1/2 зависит от их начальных значений.

радионуклида с его активностью и периодом полураспада.

Если период полураспада радиоактивного нуклида настолько велик, что за время

исследования активность препарата практически не меняется, то для нахождения периода полураспада используют приведенное выше уравнение.

в интервале от нескольких минут до нескольких месяцев или даже

лет основаны на использовании интегральной формы основного закона радиоактивного распада: N=No∙e-λt

активность препарата (скорость счета).
Измерения продолжают до тех пор, пока

активность не уменьшится, по крайней мере, в 2 раза.
По результатам измерений строят график в полулогарифмических координатах, откладывая по оси абсцисс время t, прошедшее с момента начала измерений, а по оси ординат — логарифм регистрируемой активности lgIt (целесообразно применять полулогарифмическую бумагу).

изотоп, то график зависимости lgIt от t будет представлять собой

прямую линию. Действительно, логарифмируя уравнение It= I0∙exp(-λt), получим:
lgIt=lgI0-0.4343λt
Для того, чтобы по графику определить период полураспада, надо отложить по оси ординат отрезок, численно равный lg2, и найти на оси абсцисс отрезок, соответствующий Т1/2.