Состав и характеристика атомных ядер.

Протоны и нейтроны.

В настоящее время известно, что ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов, которые получили название – нуклоны.

Протоны впервые были получены Резерфордом.

Эти частицы протоны (представляют ядра атома водорода):

₇N¹⁴+₂α⁴ à ₈O¹⁷+₁p¹

₇N¹⁴ (α;p) ₈O¹⁷

Характеристика протона:

Обозначение ₁p¹

масса протона m=1,008 а.е.м. = 938,7 МэВ = 1837 м_с

заряд протона +е=1,6*10^-19

спин протона s=1/2

стабильная частица, живущая бесконечно долго.

 

Нейтрон был обнаружен в 1932 году Д.Чедвиком.

₄Ве⁹+₂α⁴ à ₆С¹²+₀n¹

₄Ве⁹ (α;n) ₆С¹²

 

Свойства нейтрона:

Обозначение ₀n¹

Свободная частица – нестабильна с периодом полураспада Т=12 минут

Разность масс (нейтрона и протона) = 15 МэВ

масса нейтрона m=1,008 а.е.м. = 938,5 МэВ

спин нейтрона s=1/2

 

Строение ядра

В 1932 году Д.Д.Иваненко и независимо от него Гейзенберг предложили гипотезу, согласно которой атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Число протонов Z определяет заряд ядра А=Z+N.

 

Изотопы

В 1913 году открыли Томсон и Астон.

Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов.

В настоящее время известно ≈ 300 устойчивых и 1000 неустойчивых изотопов.

Изотопы отличаются друг от друга числом нейтронов.

Единица атомной массы равна 1/12 массы атома углерода.

а.е.м = 1,66 * 10^-27кг

Ядра с одинаковым числом А называются изобарами.

Ядра с одинаковым числом (N – Z) называются изотонами (ядра углерода и азота).

 

Ядерные силы

Нуклоны в атомных ядрах, несмотря на отталкивание положительно заряженных протонов, очень сильно связаны друг с другом.

Нуклоны в ядре взаимодействуют, и это взаимодействие носит характер притяжения.

Оно удерживает нуклоны на расстоянии порядка 10^-15 м друг от друга.

Ядерное взаимодействие – сильное взаимодействие.

Ядерные взаимодействия можно описать с помощью погл. ядерных сил.

 

Свойства:

- Ядерные силы являются короткодействующими (при расстоянии более 2,5*10^-15 м прекращают действие, на расстоянии меньше 0,5*10^-15 м – ядерные силы вызывают отталкивание)

- Ядерные силы действуют независимо от знака их заряда, то есть имеет место зарядная независимость

- Они не являются центральными

- Зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов

- Обладают свойством насыщения, как и химические силы. Насыщение ядерных сил наступает при четырёх взаимодействующих нуклонах.

 

Энергия связи атомных ядер. Дефект масс.

Энергия связи ядра:

- равна работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его отдельные нуклоны.

- вычисляется по формуле:

 

Исходя из закона сохранения энергии, следует, что при образовании ядра из свободных нуклонов должна выделяться та же энергия, которую нужно затратить на расщепление ядра на нуклоны.

 

Энергия ядра = потенциальная энергия, обусловленная ядерными силами притяжения + потенциальная энергия, обусловленная электростатическими силами + кинетическая энергия.

 

Основную роль в этой сумме играет .

Энергия ядра отрицательная.

Энергия связи ядра

Энергия связи ядра:

 

Дефект массы – разность между общей массой свободных невзаимодействующих нуклонов и массой ядра.

При образовании ядра масса частиц уменьшается на , что соответствует выделению энергии, равной энергии связи .

 

На практике используют:

В СИ выражается в 1 МэВ.

Энергия связи нелинейно зависит от массы тела.

 

Удельная энергия связи – энергия, приходящаяся на один нуклон.

 

 

 

Нелинейная зависимость от А делает 2 типа ядерных реакций:

- Реакция синтеза легких ядер

-Реакция деления тяжелых ядер

 

Оба типа реакций приводит к выделению большого количества энергии.

 

Природа ядерных сил.

В 1934 году И. В. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами передается посредством электронов: нуклоны в ядре испытывают непрерывные превращения или своеобразный радиоактивный распад.

₁n¹ à ₁p¹ +_-1e⁰ - акт. испускания

₁p¹ +_-1e⁰ à ₁n¹ – акт. поглощения

 

Эта гипотеза не соответствовала теоретическим расчетам. Согласно теории, частицы, с помощью которых должен происходить обмен, должны быть тяжелее нейтронов примерно в 200-250 раз.

 

В связи с этим в 1935 году японский физик Х. Юкава выдвинул гипотезу о том, что роль переносчиков ядерного взаимодействия выполняют особые частицы, названные - мезонами (пионами).

В то время в природе эти частицы не были обнаружены.

Найденные позже в космических лучах свободные - мезоны совпали по своим характеристикам с частицами, предсказанными Юкавой.

 

Заряд пиона равен заряду электрона; при этом пионы могут быть:

-нейтральными ,

-отрицательно заряженными ,

-положительно заряженными .

 

Пион испускается одним нуклоном и сразу поглощается соседним нуклоном за время 10^-23с.

В результате таких мгновенных виртуальных процессов нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных – мезонов.

 

Виртуальной называется частица, которая не может быть зарегистрирована за время своего существования (10^-23 с).

 

Х.Юкава показал, что ядерную силу можно рассматривать как результат обмена нуклонов виртуальными пионами по схеме:

Модели строения ядра.

На сегодняшний день известны 2 модели строения ядра, каждая из которых объясняет те или иные свойства ядер.

I модель: Капельная модель.

Ядра ведут себя во многих опытах подобно.

Внутри ядра плотность ядерного вещества одинакова.

На границе ядра действуют силы, препятствующие выходу нуклонов из ядра.

Это напоминает явление поверхностного натяжения в жидкостях.

Нуклоны в некоторых ядрах распределены совершенно равномерно, образуя сферическое тело.

Радиус ядра, исходя из расчетов капельной модели:

Эта формула отражает только тенденцию в измерении атомного ядра.

Капельная модель ядра позволят объяснить процесс деления тяжелых ядер.

Возбужденное тяжёлое ядро ведёт себя подобно жидкости: оно может делиться на две примерно равные части, освобождая при этом большое количество энергии.

При делении возбуждённого ядра образуется перешеек (как при отрыве капли), делящий ядро на равные части.

НЕДОСТАТОК: Капельная модель не в состоянии объяснить явления, связанные с периодичностью свойств ядер.

 

II модель: Оболочечная модель.

Экспериментальным путем показано, что важнейшие свойства ядер, такие как:

-дефект масс;

-стабильность;

-распространенность в природе;

-энергия связи;

-число изотопов

периодически изменяются с увеличением числа протонов и соответственно числа нейтронов.

 

Особенно стабильны и имеют много изотопов ядра элементов, у которых число протонов равно числу нейтронов (магические ядра).

К таким ядрам относятся ядра гелия, кислорода, кальция, олова и свинца.

 

 

Они соответствуют ядерным состояниям, в которых некоторые “нуклонные” оболочки оказываются завершенными.

Идея о ядерных оболочках базируется на том, что состояния нуклонов в ядре можно описать набором 4-х квантовых чисел, по аналогии с состояниями электронов в атомах.

Атомное ядро в основном состоянии может находиться сколь угодно долго.

Если ядро возбудить, то оно переходит в одно из возбужденных состояний, в котором может находиться ограниченное время.

При переходе ядра из возбужденного состояния в основное ядро испускает квант электромагнитного излучения (γ - квант).

Ядерные силы характеризуются аналогичными квантовыми числами, как и в случае элктронных оболочек.

ДОСТОИНСТВА ОБОЛОЧЕЧНОЙ МОДЕЛИ:

-удовлетворительно объясняет явления, связанные с периодичностью в распределении заряда по ядру.

- наличие устойчивости атомных ядер.

- позвонила объяснить механический и магнитный моменты ядра.

 

Возможно, что структура атомного ядра различна в основном и возбуждённом состояниях, так что основное состояние отвечает оболочечной модели, а возбуждённое состояние более отвечает капельной модели ядра.

 

 

Ядерные реакции деления.

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, приводящий к образованию новых ядер.

 

Ядерные реакции осуществляются путём “бомбардировки” ядер мишени, частицами высоких энергий (протонами, нейтронами, α - частицами, γ-квантами).

 

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция взаимодействия легкой частицы «а» с ядром Х, в результате которой образуется легкая частица «в» и ядро У: .

 

Ядерные реакции делятся на 2 группы в зависимости от энергии бомбардирующих частиц:

- относительно “малая” энергия (меньше 50 МэВ);

- “большая” энергия (больше 50 МэВ).

 

Очень быстрые частицы вызывают реакции в два этапа: .

 

Ядерные реакции, вызываемые частицами малой энергии, разделяются на группы в зависимости от вида бомбардирующих частиц:

а) процесс протонного захвата;

б) процесс нейтронного захвата;

в) фотоядерные реакции и т.д.

 

Замечено, что под действием тепловых нейтронов делится уран-235, который наименее распространен в природе.

При спонтанном делении 1 кг урана-235 выделяется энергия.

 

Реакции деления тяжелых ядер

Особенности:

Под воздействием медленных (тепловых) нейтронов делятся многие тяжёлые ядра: торий, протактиний, плутоний, уран.

Например, уран-238 делится под воздействием очень быстрых нейтронов, уран-235 делится под воздействием медленных нейтронов.

В результате реакции деления образуются осколки деления. Делящийся элемент и продукты его деления радиоактивны.

В результате одного акта деления тяжелого ядра рождается несколько вторичных нейтронов.

Испускание нескольких нейтронов при делении тяжелых ядер делает возможность осуществления цепной ядерной реакции.

 

Реакция деления тяжёлых ядер идёт с выделением энергии, которая и называется атомной энергией.

 

Цепная реакция деления тяжёлых ядер может быть:

- неуправляемой;

- управляемой.

 

Неуправляемая цепная реакция осуществляется в атомных бомбах.

Управляемая цепная реакция деления тяжёлых ядер осуществляется в ядерных реакторах (атомных котлах).

 

Ядерный реактор - это устройство, предназначенное для превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию.

В качестве делящегося (рабочего) вещества в реакторах служит либо природный, либо обогащенный изотоп урана.

 

Его помещают в виде блоков (2) в вещество, которое предназначено для замедления нейтронов (1).

 

В качестве замедлителей используют тяжелую воду, обычную воду, графит.

 

Энергия, выделяемая за счет α-распада этих атомов, нагревает воду. Получающийся водяной пар устремляется в паровую турбину.

 

Режим работы атомного реактора определяется коэффициентом размножения нейтронов,

который показывает, сколько в среднем новых нейтронов освобождается при одном делении ядра:

При k=1 – процесс деления размножения.

При пуске реактора должен быть k=1.

 

Регулирование коэффициента размножения осуществляется с помощью стержней (3), которые содержат вещество, поглощающее нейтроны (кадмий, бор, гафний).

 

 

Синтез атомных ядер.

Термоядерная реакция синтеза - реакция слияния лёгких ядер в более тяжёлые, которая сопровождается выделением огромного количества энергии.

 

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон, в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления тяжёлых ядер.

 

Реакция слияния ядер дейтерия и трития является одной из наиболее перспективных термоядерных реакций.

 

Синтез лёгких ядер может стать возможным при условии очень большой скорости столкновения ядер.

 

Синтез легких ядер осуществляется только при очень высоких температурах (10⁸ К), поэтому реакции ядерного синтеза получили название термоядерных реакций.

 

При осуществлении термоядерной реакции, особенно большие трудности возникают при получении и поддержании высоких температур.

 

При температурах 10⁸ К ядерная смесь представляет собой плазму.

 

Удержание плазмы в заданном объёме и предотвращение охлаждения плазмы – сами по себе ещё не решенные задачи.

 

Трудности работы с плазмой и получение высоких температур делают реакцию синтеза непригодной для управления.

 

К настоящему времени управляемой реакции синтеза нет; созданы некоторые научные установки, в которых плазмой управляют в течение очень малого времени (установка «Токамак»).

 

Неуправляемая реакция синтеза осуществлена в создании водородной бомбы.

 

Запалом в водородной бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой в течение очень малой доли секунды температура достигает 10⁷-10⁸ К.

 

Заряд водородной бомбы образуют вещества дейтерий и тритий, реакция которых происходит по схеме:

 

 

 

Взрыв водородной бомбы происходит в 3 этапа: сначала взрывчаткой осуществляется соединение урановых блоков до массы, большей критической, затем происходит взрыв атомной бомбы.

 

За это время смесь, пригодная для термоядерной реакции, нагревается до нужной высокой температуры, при которой ядерный синтез сопровождается взрывом.

 

Разрушительная сила водородной бомбы во много раз больше, чем атомной.

 

Термоядерные реакции протекают в грандиозных масштабах во Вселенной.

 

На Солнце предположительно осуществляется протонно – протонный цикл, протекающий в 3 стадии:

 

Элементарные частицы.

Существование элементарных частиц ученые обнаружили при исследовании ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время эти разделы физики являются близкими, но самостоятельными, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10^–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10^–16 с. Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка 10^–10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^–22–10^–23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

 

 

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две части. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин.