8.Ядерная физика (Вырезки из учебников)

8–28–31Строение и важнейшие свойства ядер1. Атомные ядра и их описание.Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточенапрактически вся масса атома и его положительный электрический заряд.В экспериментах Резерфорда по прохождению α-частиц через металлическую фольгу было обнаружено, что атомные ядра имеют размеры порядка10–14—10–15м, в то время как линейные размеры атомов примерно 10–10м.Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов ( p ) инейтронов (n) , которые считаются двумя зарядовыми состояниями однойчастицы — нуклона (от лат. nucleus — ядро). Протон имеет положительныйэлектрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона.Нейтрон не имеет электрического заряда. Массы нуклонов:m p = 1,6726 ⋅ 10 −27 кг ≈ 1836memn = 1,6749 ⋅ 10 −27 кг ≈ 1839meОбщее число нуклонов в атомном ядре A называется массовым числом.Заряд ядра равен величине Ze , где e — заряд протона, Z — зарядовоечисло ядра, равное числу протонов в ядре (совпадает с порядковым номеромхимического элемента в Периодической системе элементов — атомнымномером).Ядро химического элемента X с атомным номером Z и массовымчислом A обозначаетсяAZXПоскольку атом нейтрален, то заряд ядра определяет число электронов ватоме, от которого зависит их распределение по состояниям в атоме, аследовательно, зависят химические свойства атома.Изотопами называются ядра с одинаковым атомным номером Z(зарядом или числом протонов), но разными A (т.е.

разным числом нейтроновN = A − Z ).Например,изотопыводорода( Z = 1) :протий—11H( Z = 1, N = 0) , дейтерий — 21 H ( Z = 1, N = 1) , тритий — 31 H ( Z = 1, N = 2) .Изобарами называются ядра с одинаковым массовым числом A , но210210210разными Z . Например, 81Tl , 82 Pb , 83 Bi .ИзотонаминазываютсяN = A − Z . Например,ядрасодинаковымчисломнейтронов1314156C , 7 N , 8O .Наряду с термином ядро атома часто используется также термин нуклид.Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп238урана 92 U . Элементы с атомными номерами больше 92 называютсятрансурановыми.

Все они получены искусственно в результате различныхядерных реакций.Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смыслввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядраR = R0 3 AА.Н.Огурцов. Лекции по физике.уравнение Бернулли 1-20— Ван-дер-Ваальса 2-23— волновое 5-23— вынужденных колебаний 5-15— гармонических колебаний 5-3— Клапейрона-Клаузиуса 5-32— Майера 2-14— Максвелла 4-30— Менделеева-Клапейрона 2-5— молекулярно-кинетическойтеории идеальных газовосновное 2-6— неразрывности 1-19— плоской волны 5-22— Пуассона 2-16— состояния идеального газа 2-5— стоячей волны 5-25— уравнение Шредингера 7-9— Эйнштейна для внешнегофотоэффекта 6-30уровень акцепторный 7-28— донорный 7-28— примесный 7-27ускорение 1-5— среднее 1-5— мгновенное 1-5— нормальное 1-6— полное 1-6— тангенциальное 1-6— угловое 1-7условие интерференционногомаксимума 6-8— — минимума 6-8фокусное расстояние6-4формула Бальмера 7-3— барометрическая 2-8— Больцмана 2-20— Вина 6-27— Вульфа-Брэггов 6-17— Гаусса-Остроградского 1-31— де Бройля 7-6— Лапласа 2-26— Лоренца 4-8— Планка 6-28— Рэлея-Джинса 6-27— Томсона 5-9— тонкой линзы 6-4— Френеля 5-30фосфоресценция 7-29фотолюминесценция 7-29фотометрия 6-5фотон 6-30, 8-20— виртуальный 8-20фотопроводимость примесная 7-28— собственная 7-28фото-ЭДС 6-29фотоэффект 6-29— вентильный 6-29— внешний 6-29— внутренний 6-29— ядерный 8-11фундаментальные взаимодействия8-19функция Кирхгофа универсальная6-27Фурье разложение 5-10ФХфаза 2-24, 2-31— колебания 5-2фазовый переход 2-31— — первого рода 2-31— — второго рода 2-31фарад 3-3, 3-18Фейнмана диаграммы 8-20фермионы 7-17ферромагнетики 4-26фигуры Лиссажу 5-11физические законы 1-2— модели 1-3флуоресценция 7-29фокальная плоскость 6-2фокус линзы 6-3хемилюминесценция 7-29химический потенциал 7-18холодильная машина 2-18, 2-21хроматическая аберрация 6-5Ццентр инерции 1-10— качаний 5-6— кристаллизации 2-30— масс 1-10цепная реакция 8-17цикл 2-17— Карно 2-22— обратный 2-18Предметный указатель8–308–3сублимация 2-30сфера молекулярного действия 2-25сцинтиллятор 8-13счетчик газоразрядный 8-13— ионизационный 8-13— полупроводниковый 8-13— сцинтилляционный 8-13Ттело отсчета 1-4— несвободное 1-8— рабочее теплового двигателя2-21— свободное 1-8температура 2-3— критическая 2-24— термодинамическая 2-3температурный коэффициентсопротивления 3-25теорема Гаусса для магнитногополя в вакууме 4-12— — — электростатического поля ввакууме 3-6— — — — — в диэлектрике 3-16— Карно 2-21— Лармора 4-22— Нернста-Планка 2-20— о циркуляции векторанапряженности магнитногополя 4-25— — — — — — обобщенная 4-30— — — магнитного поля в вакууме4-10— — — электрического поля ввакууме 3-7— Стокса 1-31— Штейнера 1-15тепловое излучение 6-25тепловой двигатель 2-18, 2-21теплоемкость 2-13— молярная 2-13— при постоянном давлении 2-14— — — объеме 2-14— твердых тел 2-29— удельная 2-13теплопроводность 2-10термодинамическая шкалатемператур 2-5термодинамические параметры 2-2термодинамический процесс 2-2термодинамическое равновесие 2-3термостат 2-21термоядерные реакции синтеза 8-19— циклы 8-19тесла 4-7течение жидкости 1-19— — стационарное 1-20— — установившееся 1-20ток вихревой Фуко 4-16— насыщения 3-32— переменный 5-16— постоянный 3-21— смещения 4-29— электрический 3-21тороид 4-11точка Кюри 3-17, 4-27— Нееля 4-28транзистор 7-31трансформатор 4-19траектория 1-4триболюминесценция 7-29тритий 8-2тройная точка 2-31трубка тока жидкости 1-19туннельный эффект 7-11турбулентное течение 1-21Уугол Брюстера 5-31, 6-23— отражения 5-29, 6-2— падения 5-29, 6-2— предельный 6-3— преломления 5-29, 6-2— скольжения 6-17удар 1-14— абсолютно неупругий 1-14— — упругий 1-14— центральный 1-14— — прямой 1-14удельная тепловая мощность тока3-26— теплота плавления 2-30— электрическая проводимость 3-25удельное электрическоесопротивление 3-24удельный заряд электрона 4-22узлы стоячей волны 5-25универсальная газовая постоянная1-32, 2-5упругость 1-11А.Н.Огурцов.

Лекции по физике.−15где R0 = (1,3 ÷ 1,7)10 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем. Следовательно, плотность ядерного17вещества примерно одинакова для всех ядер ( ≈ 10 кг/м3).2. Дефект массы и энергия связи ядра.Поскольку большинство ядер устойчиво, то между нуклонами существуетособое ядерное (сильное) взаимодействие — притяжение, котороеобеспечивает устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименнозаряженных протонов.Энергией связи ядра E св называется физическая величина, равнаяработе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие егонуклоны, не сообщая им кинетической энергии.Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должнавыделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра насоставляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра является разностью междуэнергией всех нуклонов в ядре и их энергией в свободном состоянии.Энергия связи нуклонов в атомном ядре:Eсв = mc 2 = [ Zm p + ( A − Z )mn − mЯ ] c 2 = [ ZmH + ( A − Z )mn − M а ] c 2где m p , mn , m Я — соответственно массы протона, нейтрона и ядра;mH = m p + me — масса атома водорода 11 H ; M а — атомная масса данноговещества.Масса ∆m , соответствующая энергии связи:∆m =Eсв= Zm p + ( A − Z )mn − m Яc2называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается массавсех нуклонов при образовании из них ядра.Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся наодин нуклон: ∆ε св =Eсв. ОнаAхарактеризуетустойчивость(прочность) атомных ядер, т.е.чем больше ∆ε св , тем прочнееядро.Зависимостьудельнойэнергии связи от массовогочисла приведена на рисунке.Наиболееустойчивыядрасредней части Периодическойтаблицы ( 28 < A < 138) .

В этихядрах∆ε свсоставляетприблизительно 8,7 МэВ/нуклон(для сравнения, энергия связивалентных электронов в атоме порядка 10эВ, что в миллион раз меньше).При переходе к более тяжелым ядрам удельная энергия связиуменьшается, поскольку при увеличении числа протонов в ядре увеличиваетсяЯдерная физика8–48–29238энергия их кулоновского отталкивания (например, для урана 92 U онасоставляет 7,6 МэВ). Поэтому связь между нуклонами становится менеесильной, а сами ядра менее прочными.Энергетически выгодно: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2)слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые. При обоих процессахвыделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее времяреализованы практически: реакции деления ядер и реакции термоядерногосинтеза ядер.3.

Спин ядра и его магнитный момент.Собственный момент импульса ядра — спин ядра — векторная суммаспинов нуклонов (равен 1 2 ) и орбитальных моментов импульса нуклонов(момента импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра).Спин ядра квантуется по закону LЯ = h I ( I + 1) , где I — спиновоеквантовое число, которое принимает значения 0,Атомноеядрокромеспинаобладает1 3, 1, , K .2 2магнитныммоментомp mЯ = g Я LЯ , где g Я — коэффициент пропорциональности, называемыйядерным гиромагнитным отношением. Единицей магнитных моментовядер служит ядерный магнетон: µ Я =магнетон вmpmeehДж= 5,0508 ⋅ 10 −27.

Ядерный2m pТл≈ 1836 раз меньше магнетона Бора, поэтому магнитныесвойства атомов определяются в основном магнитными свойствами егоэлектронов.Наличие магнитного момента ядра объясняет сверхтонкую структурув спектрах атомов во внешнем магнитном поле.4. Свойства ядерных сил.1) ядерные силы являются силами притяжения;2) ядерные являются короткодействующими — их действие проявляетсятолько на расстояниях порядка 10–15м;3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: притяжениемежду любыми двумя нуклонами одинаково независимо от зарядовогосостояния нуклонов (протонного или нейтронного); ядерные силыимеют неэлектрическую природу;4) ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядревзаимодействует только с ограниченным числом ближайших к немунуклонов;5) ядерныесилызависятотвзаимнойориентацииспиноввзаимодействующих нуклонов.