ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

Протонно-нейтронная модель ядра

В тридцатые годы на основе фундаментальных открытий в области атомного ядра и элементарных частиц (таких как открытие нейтрона Дж. Чедвиком, обнаружение позитрона К. Андерсоном) советским физиком Д.Д. Иваненко и вслед за ним В. Гейзенбергом независимо друг от друга была создана протонно-нейтронная модель ядра атома.

Ядром называется центральная часть атома, в котором сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Ядра всех атомов состоят из элементарных частиц протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона, и массой покоя ( – масса электрона). Масса покоя нейтрона , а заряд равен нулю. В свободном состоянии нейтрон нестабилен. Период его полураспада около 12 мин. При распаде нейтрона возникают три элементарные частицы – протон, электрон и антинейтрино:

. (5.1)

Атомное ядро характеризуется зарядом , где е – заряд протона, равный по модулю заряду электрона; Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре. Зарядовое число Zопределяет порядковый номер элемента в таблице Д.И. Менделеева.Массовым числом Аназывается число нуклонов в ядре, т.е. суммарное количество нейтронов и протонов. Тогда число нейтронов в ядре равно . Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где Х – символ химического элемента.

Масса ядра атома всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов, также как энергия покоящегося ядра меньше суммарной энергии невзаимодействующих покоящихся нуклонов. Поскольку всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, следовательно, при образовании ядра должна выделяться энергия.

Энергия покоя ядра , где с – скорость света в вакууме. Суммарная энергия покоя всех нуклонов . Величина называется энергией связи ядра. Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить, чтобы разделить данное ядро на образующие его нуклоны и удалить их на такие расстояния друг от друга, на которых они практически не взаимодействуют.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы (масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов) и выделяется энергия связи. Если – величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса называется дефектом массы.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами, но разными массовыми числами называются изотопами. Все элементы имеют как стабильные, так и радиоактивные изотопы.

Радиоактивность

Радиоактивностью называется способность атомов некоторых элементов спонтанно (самопроизвольно) превращаться в атомы других элементов, испуская при этом различные виды радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность бывает как естественная, так и полученная искусственным путем. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, а возникающее при этом ядро – дочерним. Дочернее ядро, как правило, оказывается возбуждённым, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием
g-фотона.

Скорость распада различных радиоактивных изотопов различна и характеризуется периодом полураспада – временем, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества распадается наполовину. Период полураспада у разных элементов различен: например, у радия он составляет 1600 лет, у
радона – около 4 суток.

Если в какой-то момент имеется определённое количество атомных ядер сорта А, то по истечении времени, равного периоду полураспада, половина из них превращается в атомные ядра нового сорта – В. Новое вещество В может оказаться также радиоактивным и, в свою очередь, превращаться в третье вещество С и т.д. В таких случаях говорят, что вещества А, В, С и т.д. образуют радиоактивное семейство.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер , распавшихся в среднем за интервал времени , пропорционально промежутку времени и числу N нераспавшихся ядер:

, (5.2)

где l – постоянная для данного радиоактивного вещества величина называемая постоянной радиоактивного распада. Постоянная радиоактивного распада l показывает вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает превращение в единицу времени. Знак минус показывает, что общее количество радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

В выражении (5.2) разделим переменные и проинтегрируем его:

, ,

В результате получим

(5.3)

где – первоначальное количество радиоактивных ядер данного изотопа; N – число радиоактивных ядер в момент времени t;
λ – вероятность радиоактивного распада в единицу времени (постоянная распада). Выражение (5.3) представляет собой закон радиоактивного распада.

Вероятность радиоактивного распада l (постоянная распада) и период полураспада связаны соотношением

. (5.4)

Величина t, обратная постоянной распада λ, называется средним временем жизни радиоактивного ядра:

. (5.5)

Активностью А данного радиоактивного вещества называют число распадов , происходящих с ядрами этого вещества в единицу времени:

. (5.6)

Единица измерения активности – беккерель (Бк).

Активность, отнесённая к единице массы вещества, на-зывается удельной актив-ностью а:

. (5.7)

Радиоактивные излучения могут быть обнаружены благодаря тому, что они вызывают следующие эффекты: свечение флуоресцирующего экрана, почернение фотог-рафической пластинки, ионизацию облучаемой газовой среды. Если пропустить смесь всех существующих радиоактивных излучений через магнитное поле, то оно разложится на четыре группы (рис. 5.1). Одна группа излучений не отклоняется вообще. Её называют g-излучением. Вторая группа отклоняется относительно слабо, причём из направления отклонения можно заключить, что излучение состоит из положительно заряженных частиц. Эта группа называется a-излуче-нием. Значительно сильнее в сторону, обратную a-излучению, откло-няется третья группа, составляющая -излучение. Оно состоит из отрицательно заряженных частиц – электронов. Наряду с этим у многих искусственных радиоак-тивных элементов имеется ещё четвёртый вид излучения – -излуче-ние, которое во всём ведёт себя так же, как и -излучение, за исключением того, что отклоняется в ту же сторону, что и a-излучение. -излучение состоит, следовательно, из положительно заряженных частиц с массой, равной массе электрона, – позитронов.

Вообще, при радиоактивном распаде может испускаться один определённый вид ядерного излучения. Только в отдельных случаях для одного и того же радиоактивного атома существуют две или три возможности распада.