Основы ядерной физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансурановые элементы обнаруживают быстрое уменьшение устойчивости атомных ядер с повышением порядкового номера элемента.

Были рассмотрены условия устойчивости атомных ядер по отношению к различным типам распада. Распространение элементов в земной коре зависит от устойчивости атомного ядра. Устойчивость ядра зависит от отношения числа нейтронов к протонам в ядре. Чем ближе это отношение к 1 5, тем менее устойчиво ядро, тем меньше элемента в земной коре. Дальнейшее развитие ядерной физики показало, что устойчивость атомного ядра по отношению ко всем видам распада зависит не только от атомного номера, но и от соотношения числа нейтронов и протонов в ядре. Интересно отметить, что более стабильны ядра с четным числом этих частиц, особенно же устойчивы ядра с так называемыми магическими числами нейтронов и протонов: 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126, которые предполагают наличие в ядре оболочек, подобных электронным оболочкам вокруг него. Рассмотрим вопрос об устойчивости атомных ядер по отношению к р-распаду. Распространенность химич элементов в общем случае является функцией устойчивости атомных ядер.

Для каждой области периодической системы существует свое условие устойчивости атомного ядра. Отклонение величины N / Z от значения, характерного для данного Z, приводит к меньшей распространенности такого изотопа, к его неустойчивости, радиоактивности. В настоящее время следует считать установленным, что в вопросах устойчивости атомных ядер и свойств ядерных частиц ( протонов и нейтронов) большую роль играют мезоны - частицы с массой, промежуточной между массой протона и электрона.

Теория капиллярных волн оказалась очень плодотворной в применении к вопросу об устойчивости атомного ядра по отношению к его делению на две части, близкие по размерам. Поверхностное натяжение в ядре противостоит силам кулоновского отталкивания между протонами, входящими в состав ядра. Кулоновские силы относятся к дальнодействующим.

Распространенность химических элементов в космических телах нашей галактики и на Земле, в общем случае, зависит от устойчивости атомных ядер в недрах звезд. Устойчивость атомных ядер резко падает с увеличением порядкового номера элемента до 28, а затем уменьшается более плавно. Сравнительно малая распространенность легких элементов - лития, бериллия, бора и других обусловлена большим поперечным сечением реакции их ядер с протонами, нейтронами и другими частицами, а малая распространенность тяжелых элементов (торий, уран, трансурановые элементы) - альфа-распадом и спонтанным делением ядер последних.

Прежде чем говорить о сущности правила Маттауха, придется еще раз коснуться некоторых общих положений, а именно вопроса об устойчивости отдельных атомных ядер. Этим, в частности, занимается изотопная статистика. Дальнейшее развитие проблемы ядерной энергии теснейшим образом связано с прогрессом в сооружении мощных ускорителей, так как новые успехи в исследовании природы ядерных сил и устойчивости атомных ядер возможны только в том случае, если исследователи будут обладать мощными средствами воздействия на ядра.

Основной трудностью, стоящей на пути построения теории ядерных сил, является тот известный факт, что в первом приближении теории возмущений псевдовекторная связь мезонов с нуклонами приводит к силам взаимодействия нуклонов друг с другом, обладающим недопустимой особенностью в нуле ( полюс 1 / г3) и не обеспечивающим поэтому устойчивости атомного ядра.

Распространенность химических элементов в космических телах нашей галактики и на Земле, в общем случае, зависит от устойчивости атомных ядер в недрах звезд. Устойчивость атомных ядер резко падает с увеличением порядкового номера элемента до 28, а затем уменьшается более плавно. Сравнительно малая распространенность легких элементов - лития, бериллия, бора и других обусловлена большим поперечным сечением реакции их ядер с протонами, нейтронами и другими частицами, а малая распространенность тяжелых элементов ( торий, уран, трансурановые элементы) - альфа-распадом и спонтанным делением ядер последних.

Распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; р - распад характерен только для явления искусственной радиоактивности - - - - возникновения собственных радиоактивных излучений ядер под действием о-частиц, нейтронов и других частиц. При этом нарушается условие устойчивости атомного ядра

Радиоактивность - самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения - радиоактивным распадом. Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство

M >?m_i.

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными. Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы). К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух нуклонов, а также испускание фрагментов (кластеров) - лёгких ядер от ¹²С до ³²S. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра - число протонов Z , массовое число А или и то и другое. Важнейшей характеристикой радиоактивности является закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

N(t) = N₀e-^лt,

где N₀ - число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а л - постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени). Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра ф = 1/л, а также период полураспада T_1/2 = ln2/ф. Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое. Следует подчеркнуть, что процесс радиоактивного распада (как и все процессы в микромире) это случайный процесс и можно говорить лишь о вероятности его протекания. Так если в образце N радиоактивных ядер, то в единицу времени не обязательно произойдёт лN актов радиоактивного распада. Это число может быть и больше и меньше лN, которое в данном случае является лишь средним (математическим ожиданием). На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад - электромагнитным. Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфордоткрыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (б-частицы) и отрицательно заряженные в-частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (г-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940 г. К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым.

Естественная радиоактивность. Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) распадаться с испусканиемб-, в-, г- лучей, а иногда и других частиц. При этом исходное ядро превращается в ядро изотопа другого элемента. Радиоактивность, которая наблюдается у изотопов, встречающихся в естественных условиях, получила название естественной радиоактивности, а радиоактивность изотопов, полученных искусственным путем, называется искусственной радиоактивностью. Естественные радиоактивные изотопы составляют небольшую долю всех известных радиоактивных изотопов. Естественные и искусственные радиоактивные изотопы отличаются друг от друга только своим происхождением. Однако их радиоактивные превращения подчиняются одним и тем же закономерностям радиоактивности. Радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется на три пучка: 1.б-лучи. Опыты с камерой Вильсона показали, что альфа частица имеет положительный электрический заряд, точно равный по абсолютной величине двум зарядам электрона. Кроме того, масса частицы равна массе ядра гелия ₂Н⁴. Наконец, было показано, что альфа частица представляет собой ядро атома гелия. Если в запаянную стеклянную ампулу поместить сильный источник альфа частиц, то, в конце концов, он создаст количество газообразного гелия, достаточное для его обнаружения при помощи спектрального анализа. В явлении альфа распада следует различать два этапа: образование альфа частицы в ядре из нуклонов и испускание альфа частицы ядром. Относительно первого этапа распада в наше время почти ничего не известно достоверно, а имеются лишь общие качественные рассуждения. Образование группы из двух протонов и двух нейтронов происходит в ядре, по-видимому, в самом процессе альфа- распада. Обособлению этой группы нуклонов, вероятно, способствует насыщение ядерных сил, так что образовавшаяся альфа-частица подвержена меньшему действию ядерных сил, и вместе с тем большему действию кулоновского отталкивания от протонов ядра, чем отдельные нуклоны. По-видимому, этим и объясняется самопроизвольный вылет альфа- частицы из ядра. Были предприняты многочисленные попытки рассмотреть процесс формирования альфа- частицы в ядре, были выдвинуты различные модели этого процесса, однако существенных результатов они пока не дали. Подход к проблеме формирования альфа- частицы, исходящий из перекрытия соответствующих четырех волновых функций нуклонов, представляется в настоящее время наиболее реалистическим. Справедливости ради, следует отметить, что при ознакомлении с составом ядра было показано - сочетание двух нейтронов и двух протонов образует очень устойчивую конфигурацию, и первоначально предполагали, что такие сочетания фактически существуют в ядре как самостоятельные единицы его структуры

Искусственная радиоактивность. Обстреливая атомные ядра протонами, нейтронами или другими частицами высоких энергий, можно изменить состав ядра. Например, можно увеличить в нем избыток нейтронов, или увеличить в ядре число протонов. Такие ядра будут обладать повышенным значением энергии и должны быть неустойчивыми. Такие ядра будут претерпевать радиоактивный распад, и превращаться в ядра устойчивых изотопов.

Исследуя ядерные превращения, под действием альфа частиц, в 1933-34 годах. радиоактивный распад атомный протон

И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности. Итак, путем бомбардировки ядер альфа- частицами можно искусственным путем получить ядра радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада: ₅B¹⁰ + ₂He⁴ > ₇N^13* + ₀n¹. Символ * означает, что ядра изотопа азота₇N¹³ радиоактивны.

В 1934 году Э. Ферми с сотрудниками установили, что путем бомбардировки ядер атомов нейтронами также могут быть получены ядра радиоактивных изотопов. Например: ₁₃Al²⁷ + ₀n¹ > ₁₁Na^24* + ₂He⁴. Таким образом, Ф. Жолио-Кюри и Э. Ферми установили, что при бомбардировке атомных ядер различных элементов альфа- частицами, протонами, нейтронами, дейтронами и гамма- квантами возникают ядра новых радиоактивных изотопов, распадающихся по тем же законам, что и естественные радиоактивные вещества.

Итак, под искусственной радиоактивностью следует понимать явление радиоактивного превращения атомных ядер, полученных искусственно, лабораторным или промышленным путем. Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью нет, так как свойства атомного ядра зависят только от его состава и состояния и не зависят от способа его образования.

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями. Все радиоактивные элементы подвержены радиоактивным превращениям. В некоторых случаях у радиоактивного элемента наблюдается альфа- и бета-излучения одновременно. Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение. Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением. Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом. Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина "гамма-распад" не существует. Альфа- и бета-распады - это естественные радиоактивные превращения.

Альфа - распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией. При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы. В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.

То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним. Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается. Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы -антинейтрино. Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения. Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.

Гамма - распад - не существует В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты.Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома. Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада. При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом. Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения вещество нагревается.

Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, про-текающие при очень высоких температурах. Высокие температуры необходимы для сообщения ядрам энергии, достаточной для того, чтобы сблизиться до расстояния, сравнимого с радиусом действия ядерных сил (10^-15 м).

Энергия, выделяющаяся в процессе термоядерных реакций в расчете на один нуклон, существенно превышает удельную энергию, выделяющуюся в процессе реакций деления тяжелых ядер. Так, при синтезе тяжелого водорода - дейтерия, со сверхтяжелым изотопом водорода - тритием, выделяется энергия около 3,5 МэВ на один нуклон, в то время как в процессе деления ядер урана, выделяется примерно 0,85 МэВ энергии на один нуклон.

Термоядерная реакция синтеза дейтерия с тритием:

наиболее перспективна в плане получения практически неисчерпаемого источника энергии. Однако, осуществление такой реакции в управляемом режиме, равно как и других реакций синтеза, в настоящее время является пока проблемной задачей, хотя успехи в этом направлении несомненны. В настоящее время уже получена плазма, температура которой порядка 2·10⁸°К, а время удержания не менее 2 с при выделяемой мощности до 2 МВт. Есть надежда, что термоядерный реактор практического применения будет создан уже в первой четверти XXI века.

Размещено на Allbest.ru