13.4. Образование ядер. Дефект масс

Рассмотрим процесс образования ядра. Природа образования любого ядра такова, что масса стабильного ядра всегда меньше суммы масс составляющих это ядро нуклонов.

Например, ядро дейтерия, называемое дейтроном, состоит из протона и нейтрона. Масса атома дейтерия = 2.014102 атомных единиц массы (а.е.м.), атом дейтерия от атома водорода отличается одним лишь нейтроном. Подсчеты показывают, что сумма масс атома водорода и нейтрона больше массы дейтерия:

m_H + m_n = 1.007825 а.е.м. + 1.008665 а.е.м. = 2.016490 а.е.м. > 2.014102 а.е.м.

Разница масс составляет 0.002388 а.е.м., если перевести эту величину в единицы энергии, то получим: 0.002388 а.е.м. · 931 МэВ/а.е.м. = 2.23 МэВ.

Полученное значение энергии и будет энергией связи ядра. Входящие в его состав нуклоны удерживаются вместе очень мощными силами. Чтобы разделить ядро на части, необходимо совершить работу против действия этих сил. Величина именно этой работы является мерой прочности ядра и называется энергией связи.

Рис. 13.4. Реакция деления дейтрона (ядра дейтерия)

Эксперименты по расщеплению ядер показали, что для разрушения дейтрона фотон γ-излучения должен иметь энергию не менее 2.23 МэВ (рис. 13.4). Энергия связи меняется от 2.23 МэВ для дейтрона (самого легкого составного ядра) до 1640 МэВ для (самого тяжелого стабильного ядра).

Так как для расщепления ядра необходимо затратить энергию, равную энергии связи, то реакция синтеза ядер из отдельных нуклонов должна сопровождаться выделением той же самой энергии. Изменение энергии полученной системы оказывается эквивалентным изменению массы полученной системы:

(13.11)

Разницу между массой конечного ядра и массой нуклонов, из которых это ядро образовалось, принято называть дефектом массы:

(13.12)

где m_p – масса протона, m_n – масса нейтрона, М_я – масса ядра.

Если сравнить энергию связи ядра с энергией связи молекул, то оказывается что энергия, выделяющаяся при синтезе стабильных ядер, в миллионы раз больше, чем энергия, освобождающаяся при образовании молекулы.

Важной характеристикой ядра является также средняя энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

(13.13)

где N – число нуклонов в ядре. Наибольшей энергией связи, приходящейся на каждый нуклон в ядре, обладают элементы со средними массами, максимальной из них – . Ядра этих атомов обладают наибольшей стабильностью. Большинство ядер имеют среднюю энергию связи порядка 8 МэВ на каждый нуклон, что соответствует энергии 1.85·10¹¹ ккал на каждый кг вещества. Чтобы оценить эту величину, сравним ее с энергией, выделяющейся при сжигании бензина, она составляет 1.13·10⁴ ккал на кг топлива, что в 10 миллионов раз меньше энергии, которая выделилась бы при синтезе 1 кг ядер.

14. Радиоактивность и ее виды

14.1. Закон радиоактивного превращения

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. В процессе такого превращения у ядра могут измениться как зарядовое Z, так и массовое A числа.

В природе существуют стабильные и радиоактивные ядра атомов. Особенностью радиоактивных ядер является самопроизвольный их распад с испусканием одной или нескольких частиц.

Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называют естественной. Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Он обнаружил собственное самопроизвольное излучение сульфата уранила калия, когда пытался выяснить, может ли этот минерал под действием солнечного света испускать рентгеновское излучение. Это излечение позднее Мария Склодовская-Кюри назвала радиоактивностью. В изучение радиоактивных процессов супруги Пьер и Мария Кюри ценой своих жизней внесли огромный вклад. Их личные вещи, хранящиеся как музейные экспонаты, были настолько сильно облучены, что до сих пор представляют опасность для здоровья людей.

Итак, супругами Кюри было обнаружено, что некоторые вещества являются источником трех видов излучения (рис. 14.1).

Одно из них, названное α-излучением, отклонялось магнитным полем в ту же сторону, что и поток положительно заряженных частиц. Второе, названное β-излучением, отклонялось в противоположную сторону. Эти факты дали информацию о заряде α- и β- частиц. Третье излучение магнитное поле не ощущало, его назвали γ-излучением. Позднее установили, что γ-излучение – это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (от 10^–3 до 1 Å).

Рис. 14.1. Опыт Резерфорда. Влияние магнитного поля на α-, β-, γ-излучения.

Радиоактивность ядер, синтезированных с помощью ядерных реакций в лабораториях, называют искусственной. Различия между естественной и искусственной радиоактивностью не существует, законы происходящих при этом процессов у них одинаковы. Основными характеристиками радиоактивного распада являются: время протекания (период полураспада), тип испускаемых частиц, энергия частиц – продуктов распада, направления вылета частиц – продуктов распада.

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времени dt:

(14.1)

где λ – характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус указывает, что количество ядер, распадающихся в единицу времени, постепенно уменьшается.

Интегрирование выражения (13.) приводит к соотношению

(14.2)

N₀ – количество ядер в начальный момент времени, N – количество ядер, нераспавшихся к моменту времени t, согласно приведенной формуле это количество уменьшается со временем по экспоненте. Количество распавшихся ядер определяется разностью между начальным количеством ядер и количеством распавшихся к моменту времени t:

(14.3)

Время, за которое распадется половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада, оно находится из условия:

(14.4)

Таким образом период полураспада радиоактивного вещества равен: . Для различных веществ он может быть равен от 3∙10^–7с до 5∙10¹⁵ лет.

Активностью радиоактивного вещества называется число распадов, происходящих в препарате в единицу времени, можно показать, что активность равна: (14.5)

Единицей измерения активность образца является распад/секунда, кроме того используют внесистемную единицу кюри, равную 3.7∙10¹⁰ актов распада в секунду.

Рис. 14.2. Радиоактивные свойства нуклида в зависимости от нуклонного состава

Из более чем 300 известных нуклидов стабильными (устойчивыми) являются только 266. При этом стабильными являются нуклиды только с определенной комбинацией протонов и нейтронов.

На координатной плоскости ZN стабильным ядрам соответствует лишь узкая полоска с вполне определенными соотношениями между Z и N (см. рис. 14.2).

Все остальные – радиоактивные, т.е. распадаются, превращаясь в другие нуклиды, и испускают излучение (под термином излучение здесь нужно понимать и электромагнитное излучение высокой энергии, и поток радиоактивных частиц).

К числу радиоактивных процессов относятся:

1) α - распад;

2) β⁻ - распад;

3) β⁺ - распад;

4) электронный захват;

5) спонтанное деление тяжелых ядер;

6) γ - излучение ядер.

Рассмотрим основные из этих процессов.