5 Фізика ядра та елементарних частинок

5.1 Основні характеристики атомного ядра. Властивості нейтронів і протонів

Атомні ядра всіх елементів, крім атома водню, складаються із нейтронів і протонів. Ядро атома водню складається із одної елементарної частинки – протона. Його заряд - +е=1,610^-19 Кл.

Х – хімічний символ елемента, Z – зарядове число (кількість протонів), А – масове число; N=A-Z – кількість нейтронів.

Приклад: ₉₂U²³⁸.

Маємо протонів p – 92=Z; нейтронів N – (238-92)=146. Маса протона 1836m_e. Його позначення ₁p¹. Нейтрон позначається ₀n¹, його заряд дорівнює нулю, m_nm_p+2,5m_e, ₀n¹ – частинка нестабільна. Період його напіврозпаду Т_1/2=12 хвилин

. Це схема, за якою нейтрони, що знаходяться у вільному стані, розпадаються. Період напіврозпаду – це час, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер або частинок.

Нейтрони поділяються на теплові, повільні і швидкі в залежності від кінетичної енергії. Вона дорівнює:

у теплових ~ kT (k – стала Больцмана, Т – кімнатна температура),

у повільних ~ КеВ,

у швидких ~ МеВ.

Ядра діляться на ізотопи, ізобари, ізотони, в залежності від значення Z, A, N. Приклади:

1. ізотопи ₁Н¹, ₁Н², ₁Н³ (протон, дейтрон, тритон);

2. ізобари Ca⁴⁰, K⁴⁰;

3. ізотони ₆C¹³, ₇N¹⁴.

Як видно із прикладів, ізотопи мають однакове зарядове число, тобто число протонів, ізобари – однакове масове число, ізотони – однакову кількість нейтронів.

Розміри ядра в залежності від кількості нуклонів, досить точно можна знайти із виразу: r=1,210^-13A^1/3 см, А – масове число.

Для дослідження ядер використовують масспектральний аналіз та ядерний магнітний резонанс. Спіни нуклонів в сумі дають спін ядра.

Спін нуклона дорівнює ½. Спіни ядер не перевищують декількох одиниць. Це вказує на те, що спіни більшості нуклонів компенсують один другого в ядрі, розміщуючись антипаралельно.

5.2 Радіоактивність. -, -розпад

Радіоактивність – це самовільне перетворення ядер одних елементів в інші, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок.

1. (-розпад);

2. ( ^--розпад);

3. ( ⁺-розпад).

До радіоактивних процесів також відносяться

4. (електронне захоплення);

5. -випромінювання ядер;

6. спонтанний поділ важких ядер на дві приблизно рівні частини;

7. протонна радіоактивність (випускання протонів при ядерному перетворенні).

Процес -розпаду пояснюється сильною взаємодією, супроводжується тунельним ефектом.

Коли -частинка покидає ядро, їй необхідно подолати бар’єр, що більше повної енергії -частинки (див. рис. 5.1). По класичних законах це неможливо. Однак, згідно квантової механіки існує відмінна від нуля ймовірність просочитись через бар’єр (тунелювання).

-розпад пояснюється так званою слабкою взаємодією. Розподіл -частинок по енергіях, вказує на те, що доля енергії відбирається при -розпаді якоюсь частинкою, що практично не має маси спокою і заряду (рис. 5.2).

Крім того, участь в -розпаді ще однієї частинки (нейтрино або антинейтрино) є необхідною згідно закону збереження момента імпульсу. Спін нейтрино дорівнює ½.

⁺-частинки – позитрони ₊₁е⁰ – це античастинка електрона.

- це антинейтрино (відрізняється від нейтрино напрямком спіна). Як і нейтрино, має дуже високу проникність, слабо поглинається речовиною, ці частинки важко зафіксувати.