Лекция №30. Физика атомного ядра. Радиоактивность.

I.Естественная радиоактивность.

Как уже известно, современная физика установила, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. К этому представлению пришел английский ученый Резерфорд в 1911 году на основе тщательных исследований по рассеянию быстрых частиц при столкновениями с атомами. Исследования Резерфорда базировались на ряде важнейших открытий, сделанных французским ученым А. Беккерелем при изучении люминесценции различных веществ в 1896 году и супругами французом Пьером и полячкой Марией Кюри, установившие наличие радиоактивных излучений не только у урана (Беккерель), но и у имеющихся в нем примесей.

Каково же строение атомного ядра?

Ключом к изучению атомного ядра послужило открытие французского ученого А. Беккереля явления естественной радиоактивности, которое заключается в непрерывном испускании радиоактивными веществами (типа уран, радий, плутоний),и-лучей. Исследования этих лучей в магнитном и электрическом полях показали, что– лучи поток положительно заряженных частиц,-лучи – поток отрицательно заряженных частиц,-лучи – излучение нейтральное.

Дальнейшие исследования показали, что радиоактивные излучения способны вызывать биологические и химические действия, ионизировать, вызывать люминесценцию твердых и жидких тел, обладать большой проникающей способностью (-лучи наибольшей).

Температура радиоактивных веществ всегда выше температуры окружающей среды. Это говорит о том, что процесс радиоактивного распада сопровождается непрерывным выделением энергии.

В 1908 году Резерфордом было обнаружено, что в запаянной ампуле, содержащей небольшое количество соли радия (RaCℓ₂) появляются два новых, ранее там не находившихся газа – гелий и неизвестный в то время элемент – радон. Эти наблюдения привели кобъяснению радиоактивности как самопроизвольно протекающего независящего от внешних факторов процесса распада атомных ядер.

В данном случае Ra(радий) распадается наRn(радон) иHe(гелий) (Не образуется в результате нейтрализации-частицы с электронами воздуха).

Все выше рассмотренное лишний раз указывает на сложность атомного ядра, поэтому целесообразно рассмотреть свойства радиоактивных излучений.

 – лучи

Если схематически изобразить путь ,и-лучей в магнитном поле (перпендикулярен плоскости чертежа), то можно судить не только о заряде лучей, но и говорить о их массе (энергии).-лучи представляют собой поток ядер гелия (дважды ионизованные атомы гелия). Число-частиц, испускаемых крупинкой изmграммовRaможно рассчитать, если подсчитать число вспышекN«сцинтиляций» за единицу времени при ударе об экран сернистого цинка.

,

где Δω – выделенный телесный угол.

Эта величина приблизительно равна 3,710¹⁰частиц в секунду. Измерение суммарного заряда этих частиц показало, что заряда-частиц положителен и равен по численной величине двум зарядам электрона:

q_a= 3,2·10^-19Кл

Скорость -частиц порядка (1,5-2)10⁷м/с, т.е. доходит до 20000 км/с, а энергия достигает 10 МэВ. Они обладают сильно ионизирующим и сравнительно слабо проникающим излучением. Зная энергию ионизации встречных молекул Е_иони измеряя полное число пар ионов N, создаваемых-частицей на путиR,можно оценить первоначальную энергию-частицы:

E_a=N·Е_ион(≈ 10 МэВ).

Обладая такой большой энергией, -частицы на своем пути в газах создают сотни тысяч пар ионов. Пробег их в воздухеR(2,5 ÷ 11,5) см. Для данного радиоактивного веществаR-частицы почти одинаков, что указывает на однородность скоростей-частиц при их выбрасывании из ядра. ЗависимостьRот начальной скоростиv:

R  av³,

где а – коэффициент пропорциональности, зависит от материала вещества, в котором движутся -частицы.

 – лучи

Измерение удельного заряда е/mпоказало, что-частицы – поток быстрых электронов. Скорость-частиц различна и достигает 0,999 с. Это говорит и о том ,что энергия-частиц различна:

0 Е_10 МэВ

По сравнению с -частицами это менее ионизирующие, но более проникающее излучение (проходит через слой А1 в несколько мм.)

 – лучи

Представляя собой кванты очень большой энергии (от 0,1 до 10 МэВ). Отсутствие отклонения в магнитном поле и большая проникающая способность -лучей (проходят через сантиметровые толщи свинца), указывают на аналогию их с рентгеновскими лучами. Действительно, с помощью кристаллических решеток удалось наблюдать дифракцию -лучей и определить их длину волны (10-10см). Наличие-лучей показывает, что ядра могут находиться в возбужденном состоянии, аналогично возбужденным состояниям атома при испускании видимого света или рентгеновских лучей.

Таким образом, подведём итог:

1. Энергии -,- и-частиц – порядка 1 ÷ 10 МэВ.

2. Энергии связи внешних электронов в атоме 6 ÷ 10 эВ.

3. Энергии химических превращений 2 ÷ 5 эВ.

Вывод:

Энергии, выделяемые радиоактивными элементами, обязаны не превращениям электронных оболочек, а связаны с перестройкой ядер этих элементов. Поскольку - и-частицы заряжены, то при этом должны меняться заряд и атомный номер ядра, т.е. оно превращается в ядро другого химического элемента.