Элементы ядерной физики. Лекция16

Атомные ядра, открытые Э.Резерфордом в 1911 г.,
так же как и сами атомы, имеют внутреннюю струк-туру, т.е. не являются неделимыми.
Основой современной ядерной физики является протонно-нейтронная модель строения атомного ядра (В.Гейзенберг, Д.Иваненко, 1932 г.)
Атомные ядра химических элементов состоят из двух видов
частиц – протонов и нейтронов (имеющих обобщающее на-
звание нуклонов). Ядро атома водорода состоит из одного
протона.
Вернер Гейзенберг
(1901 – 1976)
Дмитрий Иваненко
(1904 – 1994)

Схема опытов Э.Резерфорда и Дж.Чедвика
Джеймс Чедвик
(1891 – 1974)

– условное обозначение атомного ядра
(химического элемента).
Массовое число А ядра равно общему числу нуклонов
(протонов и нейтронов) в данном ядре.
Заряд ядра (зарядовое число) z ядра равен числу протонов
в данном ядре, определяет порядковый номер химического
элемента в Периодической таблице и его химические свой-
ства.
Следствия:
1. Разность А – z определяет число нейтронов в данном
атомном ядре.
2. В нейтральном (неионизированном) атоме химического
элемента в электронных оболочках содержится z элек-
тронов, т.к. суммарный электрический заряд атома
должен быть равен нулю.

Основные характеристики атомного ядра
Зарядовое число z.
Массовое число А.
Радиус ядра Rя.
Спин ядра тs.
~ А
~
Поскольку у протона и нейтрона тs = ½, то спин ядра, со-
стоящего из четного числа нуклонов, является целым чи-
слом, а спин ядра, состоящего из нечетного числа нуклонов,
– полуцелым.
Изотопами называются ядра с одинаковым зарядовым числом z (т.е. одинаковыми химическими свойствами), но с разными массовыми числами А (т.е. различными физическими свойствами).
Например:
(протий);
(дейтерий);
(тритий).

Дефект массы атомного ядра
Масса любого ядра тя всегда меньше суммы масс входящих в его состав отдельных нуклонов:
Это объясняется тем, что при объединении нуклонов в ядро
между ними начинают действовать короткодействующие
ядерные силы притяжения. Это означает уменьшение энер-
гии и массы системы нуклонов.
Величина
называется дефектом массы.
Пример. Для ядра гелия :
2mp + 2mn = 4,03298 а.е.м.,
mя = 4,00260 а.е.м.,
Δm = 0,03038 а.е.м.

Энергия связи атомного ядра
Величина
называется энергией связи ядра.
Физический смысл энергии связи ядра: это энергия, необхо-
димая для расщепления ядра на отдельные нуклоны без со-
общения им кинетической энергии. Энергия связи является
характеристикой прочности атомных ядер.
Преобразуем формулу для энергии связи:

Свойства энергии связи
1. Согласно закону сохранения энергии, при образовании
ядра из составляющих его нуклонов выделяется энергия,
равная энергии связи ядра.
2. Если из одного ядра с меньшей
удельной энергией связи образу-
ется другое ядро с большей удель-
ной энергией связи, то такой про-
цесс пойдет с выделением энергии.
– удельная энергия связи ядра.
Энрико Ферми
(1901 – 1953)

Зависимость удельной энергии связи
от массового числа

Из зависимости Еуд = Еуд(А) следует, что наиболее прочными
являются ядра химических элементов в средней части Пери-
одической таблицы Д.Менделеева, а легкие и тяжелые ядра
являются менее прочными.
Такая зависимость делает энергетически возможными два
процесса:
деление тяжелых ядер;
синтез легких ядер.
Оба процесса сопровождаются
выделением большого количества
энергии.
Отто Ган
(1879 – 1968)

Термоядерная энергия синтеза легких ядер
В пересчете на один нуклон энергетический эффект реакции
синтеза более чем в 4 раза превосходит эффект реакции деле-
ния (3,52 МэВ/нуклон против 0,85 МэВ/нуклон).
Если в реакции деления тяжелых ядер кулоновские силы помогают ядру делиться на несколько осколков, то в реакции синтеза они препятствуют сближению ядер. Поэтому реакции синтеза изотопов водорода могут протекать только при очень высоких температурах (~ 10 млн. К) и получили название термоядерных реакций.
Эдвард Теллер
(1908 – 2003)

Закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад – это превращение неустойчивых
ядер одного химического элемента в ядра другого, происхо-
дящее самопроизвольно и сопровождающееся испусканием
частиц и выделением энергии.
– начальное число
нераспавшихся ядер.
– число нераспавших-
ся ядер к моменту
времени t.
– постоянная распада.
– период полураспада.

Физический смысл характеристик радиоактивного распада:
период полураспада Т – это время, за которое исходное число
радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое;
постоянная распада λ – это величина, обратная к которой
есть среднее время жизни радиоактивного ядра:
Связь между Т и λ: