1626435893-691da8e1223766775fc277661dcb4565 (844331), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Поз'гому суммарное массовое число в подобных ядерных процессах сохраняется (подробнее см. в 8 33). Обобщение этого положения на все частицы и античастицы приводит к закону сохранения барионного заряда (см. книгу 2). Массовое число, выраженное в атомных единицах массы (а. е. м), дает приблизительное (с погрешностью около 0,!в 1ьсв) значение массы атомного ядра (см.
5 2). 3 а р я д а т о м н о г о я д р а У определяется количеством протонов в ядре и, следовательно, количеством электронов в атомных оболочках нейтрального атома, которое совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Заряд определяет химические свойства всех изотопов данного элемента. Наиболее точно заряд ядер был измерен в 1913 г. Мозли, который нашел простую связь между частотой характеристического рентгеновского излучения к и зарядом оси=аУ вЂ” Ь. Мозли установил, что для данной серии излучения постоянные а и Ь не зависят от элементов. Это позволило разместить по порядку элементы сначала от «йса до «оУп, а затем и другие.
Кроме того, по методу Мозли определили место некоторых тогда еще не открытых элементов в периодической системе З !. Массоеое число А и злеитричепсиа заряд У атомного ядра 29 (азТс, езрш .ваА1 и взРг), а также подтвердили явление К-захвата. Непосредственно заряд ядра был определен в 1920 г. Чедвиком в опытах по исследованию рассеяния а-частиц на фольгах, изготовленных из металла с данным У (эти опыты описаны в гл.
1У). Электрический заряд занимает особое место среди других зарядов (барионный, лептонный, странный и др.). Дело в том, что он как бы выполняет две функции — отвечает за интенсивность электромагнитного взаимодействия (вспомним, что ее=ез/Ьс) и участвует в соответствующем законе сохранения.
Как известно, электрический заряд сохраняется во всех видах взаимодействий, рассматриваемых в ядерной физике (сильные, электромагнитные, слабые). Закон сохранения электрического заряда был проверен экспериментально. Идея опыта заключается в попытке зарегистрировать электромагнитное излучение, соответствующее переходам электронов атома на К-оболочку, место в которой освобождается в результате распада электрона с нарушением закона сохранения электрического заряда (например, по схеме е-еч,+7). Ойыт был поставлен в глубокой шахте (около 400 м) со сцинтиллятором из кристалла 1ч(а1, который в случае распада К-электрона должен зарегистрировать рентгеновский квант йода с энергией.33,2 кэВ. В результате опыта была получена нижняя граница времени жизни электрона т,>5 10" лет.
Это означает, что интенсивность гипотетического взаимодействия, нарушающего закон сохранения электрического заряда, по крайней мере, в 10" раз меньше интенсивности слабого взаимодействия. Закон сохранения электрического заряда позволяет находить заряд одного из ядер по балансу заряда в ядерных реакциях или радиоактивных превращениях. Электрический заряд Е является интегральной характеристикой ядра, которая не дает представления о распределении заряда по объему ядра. Это представление можно получить из опытов по изучению рассеяния быстрых электронов ядрами (см.
94, п. 2). 'Представление о форме ядра можно получить из рассмотрения другой электрической характеристики ядра — квадрупольного электрического момента (см. 9 7). Так как заряд ядра У численно равен количеству протонов в ядре, а массовое, число А — общему количеству нуклонов (протонов и нейтронов вместе), то число зч'=А-У определяет количество содержащихся в ядре нейтронов. зо Глава К Сеойстеа стабильных ядер и ядерных сил Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, с одинаковым зарядом У вЂ” изотопами, а с одинаковым числом У=А — У вЂ” изотонами. Конкретное ядро (атом) с данными А и У иногда называют нуклидом.
В дальнейшем ядро, содержащее А нуклонов и У протонов, будем обозначать (А, У), его массу — М(А, Л), а массу соответствующего атома — М„(А, 2). В тех случаях, когда надо указать химический символ элемента, для массы ядра и атома будем использовать обозначения вида М(ллЭ) и М., (ллЭ). Например, массы ядра и атома азота будут обозначаться соответственно М(тг4Х) и М„(т4Х). $ 2. Масса ядра и нуклонов 1. МАССА И ЭНЕРГИЯ. ЕДИНИЦЫ МАССЫ И ЭНЕРГИИ Одной из самых важных характеристик атомного ядра является его масса М. В ядерной физике масса ядра (и атома) измеряется в атомных единицах массы.
За одну атомную единицу массы (а. е. м) принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода "С. Значение атомной единицы массы легко выразить в граммах. Для этого надо взять обратную величину от числа Авогадро (Фл): 1 а. е. м=(1/12)(12/Фл)=1/6,022 1О"=1,бб 10 '4 г. Как известно, специфика ядерной физики, имеющей дело с высокими скоростями частиц и большими внутренними энергиями, не позволяет пользоваться формулами и понятиями классической физики, такими, например, как р=гпу, Т=гпот/2, аддитивность массы и др.
Поэтому напомним основные положения теории относительности Эйнштейна применительно к этим понятиям. Частица с массой лт, свободно движущаяся со скоростью у, характеризуется импульсом р и полнойе энергией Е, которые связаны между собой соотношениями где селЗ 10'о см/с — скорость света в вакууме. Импульс р и энергия Е являются компонентами четырехмерного вектора, преобразующимися при переходе из одной л Прилагательное «полнаяя часто опускается. з" 3.
Масса ядра и нукяанае 31 системы координат в другую по формулам Лоренца. Масса частицы определяется инвариантным выражением (2.3) которое не зависит ни от системы координат, нн от скорости частицы. Из (2.1) и (2.2) следует, что тсз тс' г) сз(аз /~ 1)з (2.4) 1 с где у= пнз с Аналогично (2.5) Если скорость частицы с=О, то полная энергия Е совпадает с энергией покоя частицы; Ео-тсз (2.6) Согласно этому соотношению любая покоящаяся частица с массой т (в г) обладает огромной энергией: Ео=9.10зот эрг=9.10гзт Дж При втык полная энергия Е состоит из двух слагаемых: Е=Ео+ Т, (2.7) где Т вЂ кинетическ энергия частицы, равная: Т=Š— Ег,=тс у — тс =тс (у-1). (2.8) о Читателям, привыкшим к «удобнымо для популяризации теории относительности, но устаревшим понитиям массы покоя шо и энергии покоя Ео=гносс Релктивисгской массы шь тот и полной энеРгии Е=тс«=Е«У.
настоятельно советуем прочесть очень своевременную статью Л. Б. Окуня (Успехи физ. наук. 1989. Т,158. Вып. 3. С. 511 — 530). Прочтя ее, читатель с некоторым облегчением увидит, что он не одинок в своем пристрастии, которое в свое время разделяли не только рядовые физики, но и многие корифеи физической науки. И это понятно, так как употребление перечисленных выше устаревших понятий не приводило к логическим ошибкам (роль январиантиой массы играла масса покоя гно! запись импульса в форме р=ни, где ш =шоу =Е(с', фактически эквивалентна выраиению р= ЬЪ/с* и т. п.). А известное удобство при использовании соотношения ш=гноу действительно амеется (например, при объяснении существования предельной энергии ускорения частиц на циклотроне).
И тем не менее Л. Б. Окунь прав. Старая терминология не изящна. 32 Глава /. Свойства стабильных ядер и ядерных сил Сопоставляя формулы (2.2) и (2.4), легко получить выражение, связывающее импульс с массой и кинетической энергией: Т(2тс'+ Т) =р'с'. (2.9) Формулы (2.5) и (2.9) при я«с (т. е. при у-1 и Т«те~) преобразуются в нерелятнвистские формулы классической механики: р=тт; Т=р'~2т=тиа!)2. (2.10) Наоборот, при о=с нз (2.1) и (2.2) следует Е=рс; тья0, (2.1 1) т. е. взаимно однозначное соответствие между нулевой массой (т ья 0) и предельной скоростью (и = с) частицы в любой системе координат.
Отдельного рассмотрения требует вопрос о массе сложной частицы. Если рассматриваемая частица состоит из нескольких частиц, то ее масса (энергия покоя) в общем случае не равна сумме масс составных частиц, так как она зависит еще н от их внутренней энергии (потенциальной и кинетической). Таким образом, масса в теории относительности неадлнтивна. Атомное ядро — сложная частица, состоящая нз нуклонов.
Поэтому его энергия покоя (масса) определяется не только суммой масс нуклонов, но и энергией их внутреннего движения и энергией связи. Чем больше энергия связи нуклонов, тем меньше масса ядра по сравнению с суммой масс составляющих его нуклонов (подробнее об энергии связи см. э" 3). Минимальное значение энергии покоя (массы) имеет ядро, находящееся в основном энергетическом состоянии (когда энергия внутреннего движения нуклонов минимальна). С ростом энергии внутреннего движения нуклонов (т.
е. с переходом ядра в возбужденное состояние) его энергия покоя (масса) растет, всегда оставаясь, однако, меньше суммы масс нуклонов. Избыток !й' энергии покоя возбужденного состояния ядра Ео по сравнению с энергией покоя основного состояния Ео называется энергией возбуждения ядра: ®=Ео — Ео (2.1 2) Масса ядра в возбужденном состоянии больше массы ядра в основном состоянии на величину ДМ= И7с2. Энергия покоя (масса) ядра не зависит от состояния движения ядра как целого. В процессах взаимодействия ядер между собой (ядерных р е а к ц и я х) полная энергия Е взаимодействующих частиц З 2.
Масса ядра и нукнанаа сохраняется. Так, если в результате ядерного взаимодействия частиц А и В образуются частицы С и 13 (А+В- С+ху), то должен выполняться следующий энергетический баланс М„с'+ Мрс'+ Т + Та = Мсс'+ Мрс~+ Тс+ Тр (2.13) или Е=Еоз+Т1 =Еоз+ Та=сола!. (2:14) Здесь Ео, =(М„+Мо)с и Т, =Т„+То — энергия покоя-и кинетическая энергия частиц, вступающих в реакцию, а Ео, = (М с+ М р) с и Т, = Тс+ Тр — то же самое для частиц, образующихся в реакции. Величина Д = Ео з Ео з — — Тз — Т, (2.15) называется энергией реакции (подробнее см.
З 34, п.!). Из соотношения (2.15) видно, что в процессе ядерной реакции происходит преобразование некоторой доли энергии покоя в кинетическую энергию (Я~О) или, наоборот, часть кинетической энергии преобразуется в энергию покоя (Я<0). В обоих случаях масса частиц, участвующих в реакции, изменяется. Поэтому для правильного составления энергетического баланса надо знать энергетическое выражение одной атомной единицы массы: 1 а е м 1 66,10-за,9, 10зо 1 5,10-з эргию!,5 ° 1О-зо Дж Обычно в ядерной физике используется более удобная единица энергии, называемая электрон-вольтом (эВ).
Один электрон- вольт соответствует энергии, приобретаемой или теряемой частицей с единичным электрическим зарядом (например, электроном или протоном) при прохождении ею разности потенциалов в 1 В. Очевидно, что ! эВ=4,8 1О 'о/300=1,6 10 'з эргию!,6 10 'о Дж. Более крупными единицами энергии являются килоэлектронвольт (кэВ), мегаэлектрон-вольт (МзВ), гигаэлектрон-вольт (ГэВ) и тераэлектрон-вольт (ТэВ); ! кзВ =10' эВ-1,6 10 ' эргию!,6 10 "Дж; 1 МэВ=10о эВъ1,6 10 о эрг 1,6 1О 'з Дж; 1 ГэВ =!О' МэВ=10' эВ=1,6 !О ' эрг 1,6 1О 'о Дж; 1 ТэВ =10' ГэВ=!О" эВ=1,6 эрг=1,6 10 "Дж.
Предпоследнюю единицу иногда обозначают БэВ, 1 ГэВ = = 1 БэВ = 10о эВ. Полезно запомнить, что ' одной атомной единице массы соответствует энергия, примерно равная 34 Глава Х Свойства стабильных ядер и ядерных сил 931,5 МэВ', а одной массе электрона — 0,511 МзВ. При измерении эгергии в мегаэлектрон-вольтах [МэВ) импульс измеряется в Мэ В/с, а масса — в МэВ/с'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
