- •Глава 2. Физические основы радиохимии
- •2.1 Элементарные частицы
- •2.2 Протонно-нейтронный состав ядер
- •2.3 Свойства атомного ядра
- •2.3.1 Заряд, число нуклонов и масса ядра
- •2.3.2 Размеры ядер
- •2.3.3 Изотопы, изобары, изотоны
- •2.4 Энергия ядра
- •2.4.1 Энергия покоя
- •2.4.2 Энергия связи ядра
- •2.5 Устойчивость ядер
- •2.6 Ядерные силы
- •2.7 Ядерные модели
- •2.7.1 Капельная модель
- •2.7.2 Модель ферми-газа
- •2.7.3 Оболочечная модель
- •Вопросы
- •Глава 3. Радиоактивность
- •3.1 Законы радиоактивного распада
- •3.2 Абсолютная радиоактивность
- •3.3 Период полураспада
- •3.4 Радиоактивное равновесие
- •3.5 Радиоактивные семейства
- •Вопросы
- •Глава 4. Типы ядерных превращений
- •4.1 Альфа - распад
- •4.2 Бета - распад
- •4.3 Гамма - излучение ядер (изомерный переход)
- •4.4 Спонтанное деление
- •4.5 Испускание запаздывающего протона
- •4.6 Испускание запаздывающего нейтрона
- •Вопросы
- •Глава 5. Взаимодействие ядерного излучения с веществом
- •5.1 Взаимодействие альфа – частиц с веществом
- •5.2 Взаимодействие электронов с веществом
- •5.2.1 Ионизационные потери
- •5.2.2 Тормозное излучение (радиационные потери)
- •5.2.3 Излучение вавилова – черенкова
- •5.2.4 Электронно–позитронная аннигиляция
- •5.2.5 Пробеги электронов в веществе
- •5.3 Взаимодействие γамма – квантов с веществом
- •5.3.1 Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение)
- •5.3.2 Комптоновское рассеяние
- •5.3.3 Образование электрон-позитронной пары
- •5.3.4 Когерентное рассеяние
- •5.3.5 Ослабление гамма-излучения в веществе
- •5.4 Взаимодействие нейтронов с веществом
- •Вопросы
2.4.2 Энергия связи ядра
Известно, что любая система стремится перейти в состояние с наименьшим запасом энергии. Это заключение термодинамики применимо и к таким микроскопическим образованиям, как атомные ядра. Исходя из этого, суммарная энергия нуклонов, взятых порознь, должна быть больше энергии ядра, состоящего из того же числа нуклонов.
Действительно, при сравнении массы нуклонов с массой ядра, оказывается, что последняя меньше на 0,005-0,01%, т.е. масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, составляющих это ядро на величину Δm:
Δm=(Zmp+Nmn)-mя (2.7)
Величина Δm называется дефектом массы и служит мерой энергии связи ядра, т.е. той энергии, которая расходуется на взаимосвязь нуклонов в ядре. Поэтому чем больше выделившаяся при образовании ядра энергия, тем прочнее связано ядро. С другой стороны эта энергия является той энергией, которую необходимо затратить для того чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны. Эту энергию называют энергией связи ядра :
Есв = Δmс2, или Есв = 931,5Δm Мэв,
а с учетом ( 2.6) получим
Есв = 931,5Δ Аr Мэв ( 2.8)
Если разделить Есв на полное число нуклонов в ядре А, то получится средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре:
ср= Есв /А (2.9)
Отсюда видно, что различные ядра имеют разную энергию связи, так как средняя энергия зависит от числа нуклонов вядре.
Например ср ( О)=128 Мэв;ср ( Не)=28 Мэв. Наименьшее значениеср у тяжелого изотопа водорода ср (Н)=1,1 Мэв.
На рис. 2.1 приведена зависимость экспериментальных значений ср от массового числа А.
Рис.2.1. Энергия связи на нуклон в зависимости от числа нуклонов в атомных ядрах.
Исследование кривой энергии связи (рис. 2.1.) показывает, что атомы элементов, имеющих массовое число около 60 , обладают наибольшей стабильностью, так как при их образовании на один нуклон выделяется наибольшее количество энергии. Эти же элементы наиболее распространены в природе.
2.5 Устойчивость ядер
Ядерные силы крепко связывают в атомном ядре нуклоны между собой, благодаря чему самопроизвольный распад ядра на отдельные нуклоны абсолютно невозможен. Если ядро (А, Z) можно представить состоящим из таких двух частей (А1, Z1) и (А2, Z2), тогда
Аr (А, Z) Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2), (2.7)
то распад исходного ядра на эти две части
Аr (А, Z) Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2), (2.8)
оказывается энергетически выгодным и может происходить самопроизвольно. При этом весь избыток массы переходит в энергию разлетающихся частей.
Если имеет место обратное неравенство
Аr (А, Z)Аr (А1, Z1) + Аr (А2, Z2), ( 2.9)
то распад невозможен. Поэтому неравенства типа (2.8 и 2.9) называют условиями устойчивости ядра по отношению к распаду данного вида.
Многие ядра устойчивы по отношению к одним видам распада и неустойчивы к другим. Нуклиды, ядра которых устойчивы по отношению к любым видам распада, называются стабильными.
На рис. 2. 2. представлена нейтронно-протонная диаграмма стабильных изотопов. По координатным осям отложены числа протонов и нейтронов в ядре, точками обозначены стабильные изотопы.
Из рисунка видно, что:
1. Стабильные нуклиды располагаются вдоль узкой дорожки.
2. При малом числе нуклонов стабильными оказываются ядра с N ≈ Z, лежащие вдоль биссектрисы координатного угла.
3. По мере увеличения числа нуклонов дорожка стабильных ядер отходит от этой биссектрисы влево, то есть стабильными оказываются ядра с N >Z. У тяжелых изотопов отношение N / Z, при котором они стабильны, достигает 1,6.
Рис.2.2. Диаграмма стабильных изотопов
С увеличением Z все более начинает проявляться разрыхляющее действие протонов, вследствие чего в атомах тяжелых ядер начинает наблюдаться избыток нейтронов. У элементов, начиная с Z82 ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. Такое ядро стремится перейти в стабильное состояние. В результате чего происходят процессы их внутренней перестройки.
Способность ядер или их возбужденных состояний спонтанно, самопроизвольно переходить в другие с меньшей энергией, испуская частицы или кванты, называется радиоактивным распадом, а явление испускания ядрами частиц или гамма - квантов, называется радиоактивностью
При этом при переходе ядра в более стабильное состояние нейтроны переходят в протоны с испусканием электрона (бета-распад). Если в ядре будет недостаток нейтронов (отношение N / Z лежит ниже области стабильности), то неустойчивость ядер определяется кулоновскими силами отталкивания. В этом случае переход в устойчивое состояние обычно реализуется путем испускания ядром альфа - частиц, состоящих из 2 нейтронов и двух протонов. Для более легких ядер переход в более устойчивое состояние ядра может осуществляться путем превращения протона в нейтрон и испусканием позитрона и нейтрино.