Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра, страница 4

Закон радиоаклгивиого распада показывает, как со временем ! меняется (в срелнем) число радиоактивных ядер в образце илн нестабильных частиц в их пучке. Если в нем в момент ! имеется большое число 1т' ралиоактивных ядер (частиц), то к моменту 1+ д1, в соответствии со смыслом Л, распад испытают в среднем ЛЛГЖ ялер (частиц). Поэтому изменение их числа д!Лг определяется соотношением (1.14) Айг = — Лйгй.

Знак минус означает, что обшее число радиоактивных ядер (частнц) умень- шается в процессе распада. Интегрируя соотношение (1.14), получим за- кон радиоактивного распала: !'т = л!ое (1.! 5) т. е, мы приходим к соотношению (!.13). Обычно для характеристики скорости радиоактивного распада атомных ядер используют величину, называемую периодом лолурасиада и обозначаемую 1цн Период полураспада — это время, за которое число радиоактивных ялер илн частиц уменьшается вдвое. Согласно (!.15) гто -лй, — = !уое 2 Откула !и 2 О,б93 102— Л Л .4кгвивность образца А, т.е.

число распалов в единицу времени. является производной от М по времени, взятой с обратным знаком: д1У А = — — = ЛАг. Ш (1.17) Активность образца, очевидно, уменьшается со временем по тому же экспоненциальному закону (!.!5), что и число нестабильных ядер (частиц), где Жо — число радиоактивных ядер (частиц) в произвольно выбранный начальный момент 1 = О. Закон (!. 15) относится к статистическим средним и справедлив лишь при достаточно большом числе распадаюшихся ядер или частиц. В соответствии с определением математического ожидания среднее время жизни ядра или частицы вычисляется по формуле 21 в7. Ядериме реакции Ее измеряют либо в беккерелях, либо в кюри: 1 Бк (беккерель) = 1 распад в секунду, 1 Ки (кюри) = 3,7 10ю Бк. 1 Ки — это активность 1 г радия. Распад ядра может происходить как из основного (самого низкого по энергии состояния), так и из более высоких (возбужленных) состояний.

Энергия распадающейся системы, в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, не может быть точно определена. Всякое распалаюшееся состояние, живущее в среднем время т, описывается волновой функцией гл(1), квадрат модуля которой убывает со временем по тому же экспоненциальному закону радиоактивного распада ( !.15) /гР(!)!~ = ~Е(0)/ е ~~'. Ядро или частица в любом состоянии с т Ф оо имеет энергетическую неопределенность ЬЕ Г, которая связана с т соотношением неопределенностей Г т 7г (à — ширина уровня на половине высоты). 5 7.

Ядерные реакции В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию а-частиц на различных мишенях, Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота а-частицами из них вылетают положительно заряженные частицы. Величина заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку.

Масса частицы была почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на лругих мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ялер. Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой впервые были обнарукены протоны: н)!+ ОО+ Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что Резерфорлу удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались сделать алхимики, — превратить одно вещество в другое. Ядро азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция, осуществленная искусственно в лабораторных условиях. В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными частицами, входящими в состав атомного ядра.

В 1930-1932 гг., продолжая эксперименты по облучению тонких фольг из различных материалов гх-частицами, В. Боте и Г Беккер обнаружили сильно проникающее излучение из бериллиевой мишени, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая гипотеза о том, что это фотоны высокой энергии, не выдержала проверки, Лишь в 1932 г. Д. Челвик показал, что это новая, до сих пор неизвестная нейтральная 22 1лава 1.

Элеиенмарные часвицы частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Реакция. в которой былоткрыт нейтрон: Ве+а- С+и. Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко, В.!ейзенберг и Э. Майорана независимо выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель вылержала испытания временем и, как показывают экспериментальные наблюдения, в обычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, обусловленные внутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия 1О 'з см.

Ялерные силы существенно превосхолят силы электростатического (кулоновского) отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра !Вм г/смз, Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали сильным или ядерным взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня мы знаем,что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны внутри ядра, является слелствием сильного взаимодействия. Ядерное взаимолействие приволит к образованию атомных ядер. В атомных ядрах протоны и нейтроны оказываются связанными.

В ядре происходит раликальное изменение свойств нейтрона и протона. Своболный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри ядра может стать стабильным. И наоборот. стабильный в свободном состоянии протон внутри ядра может распадаться, преврашаясь в нейтрон. Протон и нейтрон ведут себя по отношению к ядерному взаимодействию совершенно одинаково.

Ядерное взаимолействие не зависит от электрического заряда частицы, оно не делает различия между протоном и нейтроном. Поэтому протон (Р) и нейтрон (а) были объелинены общим названием нуклож Так в ядерной физике появилась новая симметрия — изоспиновая. Протон и нейтрон — два состояния одной частицы — нуклона.

Только электромагнитное взаимодействие может различить протон и нейтрон. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов. Число протонов в ядре определяет атомный номер Я химического элемента и, следовательно, число электронов в атоме. Атомные ядра, имеющие одинаковое число протонов Я и разное количество нейтронов йГ, называются изотопами. Например, изотопы кислорода 'ьО, "О, "О имеют 3 протонов и соответственно 8, 9 и 1О нейтронов. Суммарное число протонов н нейтронов в атомном ядре называют массовым числом А: Как Резерфорд доказал, что в реакции '41ч + а -» пО + р ядро '41Ч превращается в ядро '"О? Это было сделано на основе законов сохранения электрического заряда и числа нуклонов.

Суммарный электрический зарял 23 88. Слин частиц в начальном состоянии равен +9, так как заряд ялра азота равен +7 н а-частицы +2. В конечном состоянии был обнаружен протон с зарялом +1. Следовательно, образовавшееся ядро должно содержать 8 протонов, т.е. зто был кислород.

Аналогично из закона сохранения числа нуклонов получаем, что в ядре кислорода должно быть ! 7 нуклонов. Законы сохранения электрического заряла и числа нуклонов сыграли очень большую раль в ядерной физике. С помощью этих законов по продуктам реакции были идентифицированы различные атомные ядра, образующиеся в ялерных реакциях. Пример.

В ядерной реакции '"В+ и — Х+ 'Не образуется неизвестное ядро Х Определить его электрический заряд и число иуклонов. Репнине. Из законов сохранения электрического заряда и числа нуклоиов имеем: 5 Ч- 0 = Ях + 2 ! О + ! = Ах + 4. Следовательно Ях — — 3, А„= 7. Таким образом, неизвестное ядро — это изотоп ф8. Спин Когда Д. И.

Менделеев показал, что все химические элементы можно расположить в виде периодической таблицы, состоящей из колонок элементов с одинаковыми химическими свойствами, он не знал, почему элементы попадали в эти колонки, не знал причину сходства их химических свойств. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон, изучая свойства электрического тока в газах, показал, что электрический ток представляет собой поток очень легких отрицательно заряженных частиц, которые отклонялись под действием электрического поля. Масса этих частиц была опрелелена как 1 —,м„часть массы атома водорола. Эти легкие отрицательно заряженные частицы были названы электронами.

За экспериментальное доказательство существования электронов в !90б г. Дж. Дж. Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике. Открытие электрона натолкнуло на мысль, что электроны вхолят в состав атома, и практически сразу же стала ясна причина периодичности свойств химических элементов. Порядковый номер элемента определяет количество электронов в атоме. Было обнаружено, что излучение атомов характеризуется целым набором длин волн, что было объяснено расположением электронов по оболочкам вокруг положительно заряженного ядра. В !925 г.

В. Паули сформулировал принцип, который объяснил, как происходит заполнение электронных оболочек в атоме. Похожесть свойств химических элементов определяется тем, что они имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек. Излучение атома возникает при переходе электронов с более высоко расположенной по энергии оболочки на низшую, т. е, излучение атомов определяется расположением его 24 Глава 1. Элементарные частицы электронных оболочек. Анализируя спектральные линии атомов, С. Гаудсмит и Д. Уленбек обнаружили, что многие спектральные линии в атомных спектрах состоят из двух близко расположенных линий.