Спин нейтрона S=½ и, несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает собственным магнитным моментом

Всвободном состоянии нейтрон нестабилен. Он самопроизвольно распадается, превращаясь

впротон, испуская электрон и антинейтрино – ύ. Период полураспада нейтрона равен ~ 12 мин.

Схема распада:

Масса нейтрона больше массы протона на 2,5me. Следовательно масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (9) на 1,5mе·с2, т.е. на 0,77 МэВ, эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра

Одной из важнейшей характеристик атома ядра является зарядовое число – Z. Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра и определяет его заряд. Заряд ядра - (+Ze).

Суммарное число протонов и нейтронов в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно:

Для обозначения ядер используется символ: ZAX или ZXA, где Х – химический символ данного элемента.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотонами. У многих химических элементов имеется по нескольку стабильных изотонов.

Например:

водород: 11Н – протий (Z=1, N=0)

Д=12Н – дейтерий (Z=1, N=1)

T=13H – тритий (Z=1, N=2)

Протий и дейтерий стабильны, а тритий радиоактивен.

Изобарами называются ядра с одинаковыми массовыми числами: 18Ar40 и 20Ca40. Изотонами называются ядра с одинаковыми числом нейтронов: 6С13 и 7N14.

Изомерами называются ядра с одинаковыми Zи А, отличающиеся периодом полурас-пада:

35Br80 – T(1/2)=18 мин и Т(1/2)=4,4 часа.

Вприроде встречаются ядра с атомными номерами Z от 1 до 92, исключая текнеций (Тс, Z=43) и прометий (Pm, Z=61). Плутоний (Pu, Z=94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы (Z с 93 до 107) были получены искусственным путем, посредством различных ядерных реакций.

Впервом приближении ядро можно считать шаром с радиусом:

r = 1,3·10-15 А1/3 (м). 1φ=10-15м – ферми – единица длины в ядерной физике.

А – число нуклонов ядре. Спин нуклона – ½ ; спины ядер – I – не превышают нескольких единиц.

§52. Дефект массы и энергия связи ядра

32

При объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом, поэтому mя < Zmp +Nmn. По соотношению Эйнштейна энергия покоя частицы:

Энергия связи (52.2) равна той работе, которую нужно совершить, чтоб разделить образующие его ядро нуклоны и удалить их на такие расстояния, на которых они практически не взаимодействуют.

При решении задач удобнее использовать для расчета энергии связи другое соотношение, где вместо mя было бы ma.

Eсв = c2 {[Zmp +(A − Z.) (52.3)

Т.к. в таблицах обычно даются массы атомов, то (52.3) удобнее.

Удельной энергией связи называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон: - Есв/А; дефектом массы называется величина:

Энергия связи валентных электронов в атомах ~ 10 эВ, а удельная энергия связи имеет порядок нескольких МэВ.

Eсв/А (МэВ)

9

8

4

Рис. 52.1 Зависимость Есв/А=f(A)

Из рис. 52.1 видно, что сильнее всего связаны нуклоны с массовыми числами ~ 50-60 (т.е. от Cr до Zn), а затем она постепенно уменьшается. Таким образом, энергетически возможны два процесса:

1.деление тяжелых ядер на несколько более простых;

2.слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.

Оба процесса сопровождаются выделениями большого количества энергии. Наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра: 2Не4, 8О16, 20Са40, 20Са48, 82Pb208 (ма-

гические числа: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).

Магическими называют те ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно магическому числу.

§53. Ядерные силы

33

Огромная сила связи нуклонов в ядре (например, для 2Не4 – энергия связи ядра на одном нуклон – 7,1 МэВ).

Силы, специфические, действующие между нуклонами, называются ядерными. Ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические, магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу сильных взаимодействий.

Особенности ядерных сил:

1.ядерные силы – короткодействующие, радиус их действия ~ 10-15м, это силы притяжения. Если r<10-15м – притяжение нуклонов сменяется отталкиванием;

2.зарядовая независимость ядерных сил, т.е. силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном, двумя нейтронами, имеют одинаковую величину;

3.ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, протон и нейтрон, образуя ядро тяжелого водорода – дейтрон, удерживаются вместе, только если их спины параллельны друг другу;

4.ядерные силы не являются центральными;

5.ядерные силы обладают свойством насыщения (т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов).

До сих пор не разработана единая последовательная теория атомного ядра. Рассмотрим две модели ядра: капельная и оболочечную.

1. Капельная модель ядра (1936г. Н. Бор и Я. Френкель). Капельная модель ядра трактует ядро как каплю электрически заряженной, несжимаемой жидкости, подчиняющейся законам квантовой механики. Она позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра, объяснила механизм ядерных реакций, реакции деления ядер, но не могла объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

2. Оболочечная модель ядра (1949-1950гг. – Геннерт-Майер – американский физик и немецкий физик Х. Ченсен). Оболочечная модель представляет распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклоном согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость ядер и периодичность изменений их свойств. Затем, по мере накопления экспериментальных фактов возникли обобщенная модель ядер (синтез капельной и оболочечной моделей) и оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и другие модели.

§54. Радиоактивное излучение. Закон радиоактивного распада

В 1896г. французский физик А. Беккерель при люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ.

Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а само излучение – радиоактивностью (носителями беккерелевского излучения были: полоний - 84Ро210 и радий - 88Ra226).

Под радиоактивностью понимают способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность подразделяют на естественную – существует в природе – и искусственную

– наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Радиоактивное излучение бывает трех типов: α-, β-, γ-излучение.

34

α-излучение отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной – 0,05 мм). α- излучение – поток ядер гелия, заряд α-частицы равен: qα=+2e, mα=2mp+2mn.

β излучение отклоняется электрическими и магнитным полями, его ионизирующая способность на два порядка меньше, чем у α- излучения, а проникающая способность больше (поглощается слоем алюминия ~ 2мм). β- излучение – это поток быстрых электронов.

γ излучение. Оно не отклоняется электрическими и магнитным полями, обладает относительно небольшой (слабой) ионизирующей способностью и очень большой проницающей способностью (например, проходит через слой свинца ~ 5см). γ- излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с λ<10-10м, т.е. является потоком γ- фотонов.

Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

Атомное ядро, испытывающее распад, называется материнским, возникающее ядро – до-

черним.

Т.к. радиоактивный распад подчиняется законам статистики, то число ядер dN распавшихся в среднем за интервал времени dt равно:

где λ – постоянная радиоактивного распада, знак « – » показывает, что число ядер в процессе распада уменьшается.

где N0 – начальное число нераспавшихся ядер (t0=0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (54.2) описывает закон радиоактивного распада.

Интенсивность процесса распада характеризуется временем полураспада Т½ – время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшится вдвое, и среднем временем жизни радиоактивного ядра – τ.

Среднее время жизни τ радиоактивного ядра обратно пропорционально постоянной радиоактивного распада λ.

Активностью А- нуклида называется число распадов, происходящих в образце за 1с.

В СИ [A]=1 Бк – беккерель. 1 Бк – активность нуклида, при котором за 1с происходит 1 акт распада.

1 Ки (один Кюри) = 3,7·1010 Бк = 3,7·1010 распад/с.

Найдем период полураспада Т½ :

35