11 (Полный курс лекций)

41

(в единицах ).

Заряд ядра - где Z - порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, заряд равен числу протонов в ядре. Известны ядра от Z=1 до Z=107.

Если N - число нейтронов в ядре, то N + Z = A называется массовым числом и определяет число нуклонов (нейтронов и протонов) в ядре. ( У протона и нейтрона массовое число = 1, у электрона = 0). Радиус у ядра RR₀A^1/3 (объем ядра пропорционален числу нуклонов).

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами.

Обозначение ядер: , где Х - символ химических элементов.

Например ¹⁶₈О означает ядро кислорода с массовым числом 16 и 8-ю протонами.

1. Свойства ядер

Ядро характеризуется массой, спином, магнитным моментом.

1. Спин ядра L (собственный момент импульса), формируется нуклонами, имеющими спин /2.

*ħ , (11.1)

где I - внутреннее (полное) спиновое число, I- целое при четном массовом числе A, I - полуцелое при нечетном А.

2. Магнитный момент ядер имеет масштаб в m_р /m_n раз меньший, чем у электронов. Единицей магнитного момента является ядерный магнетон .

(сравни с магнетоном Бора ) (11.2)

1. Масса ядра меньше, чем сумма масс, формирующих его нуклонов на величину m, которую называют дефектом массы.

(11.3)

Поэтому при образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи

(11.4)

11.3 Ядерные силы.

Почему положительные протоны в ядре не расталкиваются и не разрушают ядро?

Причина - особые ядерные силы, действующие между нуклонами и не зави­сящие от заряда нуклона. Ядерные силы - короткодействующие (радиус действия R10¹⁵м), обладают насыщенностью, т. е. нуклоны взаимодействуют лишь с ближайшими соседними нуклонами.

Установлено, что все фундаментальные виды взаимодействий, в том числе и сильное (ядерное) имеют обменный характер, т. е. происходят между частицами за счет обмена третьей частицей. Элементарный акт взаимодействия нуклонов заключается в обмене пи-мезоном (пионом).

1. Законы радиоактивного распада

Радиоактивность - превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающиеся испусканием элементарных час­тиц. Различают естественную радиоактивность, наблюдаемую в природе и искусственную, радиоактивность, созданную человеком

Самопроизвольный распад ядер подчиняется закону радиоактивного рас­пада (см. рис.11.1):

, (11.5)

где - число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0,

N - число нераспавшихся ядер в момент времени t,

 - постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 се­кунду.

В еличина =1/ - является средним временем жизни изотопа, за время t= число нераспавшихся ядер убывает в e раз. Вводят, также, понятие период по­лураспада - время за которое распадается половина радиоактивных ядер. Можно показать, что период полураспада связан с τ и λ. (11.6)

Различают  - распад,  - распад,  - излучение.

1.  - распад - испускание ядрами некоторых химических элементов  - частиц ( . При  распаде ядерная реакция имеет вид

2. (11.7)

3.  - распад - испускание ядром электрона (позитрона) или захват ядром элек­трона, находящегося на ближайшей к ядру К - оболочке (К - захват).

распад:(превращение нейтрона ядра в протон с испусканием

электрона ⁰₁е)

(11.8)

 + распад (превращение протона в нейтрон)

, (11.9)

где ν_е - электронное нейтрино

К - захват: (превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона ⁰₁е)

(11.10)

1.  - излучение - обычно сопровождает ядерные реакции, либо возникает при переходе ядра из возбужденного состояния в менее возбужденное или основное со­стояние.

, (11.11)

где - частота кванта

- энергия начального и конечного состояния ядра.

1. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют процесс превращения ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.

А +a = B +b - символьная запись реакции, (11.12)

где А и В - исходные и конечные ядра

a и b - исходная и конечная частица (иногда a или b - не одна, а несколько частиц).

Тяжелые ядра при взаимодействии с нейтронами могут разделяться на две приблизительно равные части - осколки деления. Эта реакция называется реак­цией деления тяжелых ядер.

Например:

В этой реакции наблюдается размножение нейтронов. (Был один нейтрон, а стало два).

При коэффиенте размножения нейтронов К >1, (К - количество нейтронов в конце акта деления количество нейтронов в начале акта деления) возможно образование цепной реакции.

В атомных бомбах - неуправляемая, лавинообразная цепная реакция. В атомных станциях - управляемая реакция, в которой за счет графитовых погло­тителей число нейтронов поддерживается на некотором постоянном уровне.

Возможны ядерные реакции синтеза, когда из двух легких ядер образуется одно более тяжелое.

Пример - синтез ядер дейтерия и трития и образования ядра гелия:

При этом выявляется энергия в 4 раза большая, чем при делении ядра урана! Но эта реакция может происходить лишь при сильном сближении и , что возможно при очень высоких температурах (термоядерная реакция). (Такая реакция происходит на Солнце и в водородной бомбе).

Полагают, что такие температуры можно будет создать также лазерным ра­зогревом смеси ядер дейтерия и трития и использовать как источник энергии в будущем.