1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Разность масс около 2,5 электрона позволяет нейтрону распадаться на электрони протон. Вначале уравнение реакции представляли в виде:n → p+ + e− .72Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАВремя жизни свободного нейтрона около 900 секунд. Поэтому в таблице Менделееванет «нулевого» элемента – нейтрона.Нейтроны могут также распадаться в ядрах, например210210−1414−83 Bi → 84 Po + e ,6C → 7N + e .Это и есть β – распад, один из классических видов радиоактивности. Все же большинство естественных ядер (около 260) стабильны: найдено всего около 40 природныхрадиоактивных изотопов. Почему нейтрон, находящийся в стабильном ядре, не распадается? Объяснение в том, что распад нейтрона в таком ядре энергетически невыгодениз-за действия ядерных сил. Замена нейтрона на протон модифицирует взаимодействиятак, что энергия (и масса) ядра возрастают.Спин нейтрона, как и протона, 1/2. Следовательно, нейтрон не позволяет близкимсоседям – нейтронам находиться в том же состоянии.Написанные выше реакции не совсем правильны.

Оказалось, что энергия вылетающего электрона не фиксирована – она «гуляет» от нуля до максимального значения1,5me c2 . Кроме того, нарушено сохранение момента – из одного спина 1/2 получилосьдва таких. Для случая β – распада ядер Паули в 1930 г. постулировал существованиеновой частицы, которая так слабо взаимодействует со всеми остальными, что всегдаулетает незамеченной (кстати, под названием «нейтрон»).

Этой частице и передаетсяостаток энергии распада, не доставшийся электрону. Спин ее тоже 1/2, так что можносохранить полный момент. После открытия «настоящего» нейтрона, в 1934 г., Фермипредложил называть изобретенную Паули частицу «нейтрино» (итал. уменьшительноеот «нейтрон»). Правильное уравнение распада нейтрона:n → p+ + e− + ν̃ .Только в 1953 г. нейтрино были зарегистрированы в эксперименте20 .На первый взгляд, распад нейтрона указывает на его составную природу (протон +электрон + нейтрино). Но есть примеры распада протона в нейтрон. Сам по себе протонстабилен, но в некоторых ядрах, где протоны в избытке, один из них распадается:1111+или p+ → n + e+ + ν .6C → 5B + e + ν ,Здесь e+ – это позитрон, античастица электрона.

(Строго говоря, именно в этойреакции вылетает то, что называют нейтрино ν, при распаде же нейтрона вылетаетантинейтрино ν̃). Более того, можно сделать протоны и нейтроны при столкновениибыстрых электронов и даже γ – квантов, внутри которых уж точно нет никаких частицвещества. Значит, при распаде частицы не «освобождаются» (как осколки снарядов,камней и даже атомов), а рождаются, если для этого хватает энергии.Как уже говорилось, нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому не оставляет за собой ионизованного «хвоста».

Только попав в ядро, он проявляет себя – можетотскочить упруго, к некоторым ядрам прилипает, переводя их в более тяжелый изотоп.Нейтроны могут и разбивать ядра. Это разнообразие свойств делает нейтроны лучшим20Паули предложил приз за обнаружение нейтрино (корзину шампанского) и сдержал слово.2.5. Атомное ядро. Ядерные силы. Реакции деления. Цепная реакция73инструментом воздействия на ядро и определяет их использование на практике.Оценим длину свободного пробега L, предполагая, что сечение столкновения σ нейтрона с ядрами геометрическое – порядка барна (10−24 см2 ).

Тогда L ∼ 1/nσ ≈ 10см при характерной для конденсированного вещества плотности ядер 1023 см−3 . Этообъясняет значительную проникающую способность нейтронов.Ядерные силы. Мы видели, что атом в основном – электрическая система. Основнуюроль играют кулоновские силы. Разумеется, для ядра это не так, ведь заряд ядра некомпенсирован. Что-то должно сдерживать ядро от развала.Близость масс нейтрона и протона не случайна. Эти частицы родственны, и ихвместе называют нуклонами, составными элементами ядра (от лат. nucleus – ядро).Опыт показывает, что между нуклонами существуют значительные силы притяжения.

Они действуют только на «ядерных» расстояниях порядка r ≈ 10−13 см (чтоследует хотя бы из способности нейтронов проникать в вещество). Но в этой маленькой области ядерные силы значительно превосходят кулоновские. Различие сил междупарами nn, np и pp мало́ (что и дает основание для использования понятия нуклона).Например, рассмотрим дейтрон – ядро тяжелого водорода, состава np. Энергиясвязи протона и нейтрона по измерениям равна 2,2 МэВ. Для сравнения оценим электрическую энергию взаимодействия протонов, удаленных на r: e2 /r = 23 · 10−20 /10−13 =23 · 10−7 эрг = 1,5 МэВ. На первый взгляд, ядерные силы лишь немного больше кулоновских.

Но мы не учли еще кинетическую энергию нуклонов. Раз они витают в объемеразмера r, им положено иметь кинетическую энергию ∼ 2 /2mr 2 = 3 · 10−5 эрг ≈ 20МэВ! Следовательно, ядерные силы запасают не только 2,2 МэВ энергии связи, но иеще около 40 МэВ, сдерживающих нуклоны, которые стремятся разбежаться за счеткинетической энергии «нулевых колебаний». Получаем, что работа ядерных сил примерно в 30 раз больше работы кулоновских.

Соотношение сил еще более резкое, таккак ядерные силы короткодействующие. В общем принято считать, что ядерные силыв «своем» диапазоне расстояний примерно на два порядка больше электрических.Два протона на расстоянии r отталкиваются с электрической силой e2 /r 2 = 23 ·10−7 /10−13 = 2,3 · 107 дин, или около 23 кГ! Наконец мы добрались до ощутимых порядков величины в микромире.

Соответственно характерная ядерная сила между двумянуклонами порядка 1 – 2 тонн.Ядерные силы несколько зависят от направления спинов. Например, в дейтроне спиныпараллельны, так что спин дейтрона в целом 1. Вспомним, что бо́льшая часть отрицательнойэнергии притяжения компенсируется кинетической энергией, и на энергию связи остается всего∼ 10% (2,2 МэВ). При антипараллельных спинах взаимодействие чуть слабее, и устойчивогоядра не получается. По этой же причине не бывает динейтрона (nn) и ядра 2 He (pp), так какв них по принципу Паули спины должны быть противоположны.Из-за короткодействия ядерные силы подобны молекулярным. Ядро ведет себя каккапля «нуклонной» жидкости, объем капли пропорционален числу нуклонов A.74Глава 2.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАЭнергия связи. Масса атома дейтерия 2,014102, водорода 1,007825, нейтрона 1,008665атомных единиц. Дейтрон чуть легче, чем пара n, p: дефект массы ∆m = 0,002388. Этооколо 0,12 процента массы, что вполне измеримо на хороших весах.Дефекту массы соответствует энергиясвязи ∆mc2 . Одна атомная единица –это примерно 940 МэВ, то есть ∆mc2 =0,002388 · 940 = 2,2 МэВ (эта цифра ужеупоминалась).

Таким же образом, по существу простым взвешиванием, можно найтиэнергию связи для любого изотопа. График удельной энергии связи E (рассчитанной на один нуклон) от массового числа Aпоказан на рис. 2.1. Так как одинаковыеA могут быть у разных элементов, обычнорисуются усредненные данные по стабильным ядрам.Рис. 2.1.Для протона E = 0 по определению. При малых A энергия связи быстро растет, таккак увеличивается число соседей нуклона (или, другими словами, падает роль поверхности). У элементов, близких к железу (A = 56) E имеет максимум 8,7 – 8,8 МэВ/нк.Это наиболее устойчивые ядра.

В принципе все вещество должно преобразоваться вжелезо, но это процесс медленный (или можно сказать, что Вселенная еще молода).Далее с ростом A устойчивость снова уменьшается из-за кулоновского отталкивания.2.5.2Реакции деления. Цепная реакцияСреди ядерных реакций вообще реакции деления важны как практически доступныйисточник энергии. Прежде чем рассматривать деление, остановимся на классическихвидах радиоактивности.Неустойчивость ядер. Для устойчивости ядра необходим некоторый баланс междучислами нейтронов N и протонов Z.

Карта возможных ядер с выделением более илименее стабильных изотопов показывает, что границы этого баланса довольно узкие.Можно сказать, что существует вытянутая «долина устойчивости» с крутыми берегами (см. рис. 2.2)21 . Ядра с избытком нейтронов стремятся превратить нейтрон в протонпутем β-распада.

При избытке протонов происходит β + -распад, то есть протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона.На энергетическом языке это значит, что ядро до распада более тяжелое, чем продукт, так что энергии распада хватает на создание β-частиц, нейтрино и придание им21Взят из доклада венгерского физика Д. Маркса на международной конференции по преподаваниюфизики: Marx J. Our nuclear history. In: Nuclear energy. Nuclear power. Proc.

Характеристики

Список файлов лекций