Что такое ядро в физике
Физика атомного ядра
Радиоактивность. Альфа-распад. Бета-распад. Гамма-излучение
Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.
Явление естественной радиоактивности открыл в 1896 году французский физик А. Беккерель. Проводя опыты с солями урана, он заметил, что они самопроизвольно испускают лучи неизвестной природы, которые проходят через бумагу, дерево, металлические пластины и делают воздух проводником электричества.
Радиоактивность данного химического элемента не зависит от того, является ли химический элемент чистым или входит в состав какоголибо химического соединения. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, освещения, давления. Это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.
Виды радиоактивных излучений
Излучение радиоактивных веществ имеет сложный характер и состоит из трех видов излучений. Если радиоактивное излучение пропустить через электрическое и магнитное поля, то оно распадается на три части, две из них отклоняются в противоположные стороны, а третий не отклоняется.
При одинаковой энергии частиц разные виды излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.
Радиоактивный распад – самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других химических элементов.
Распадающееся ядро Х называется материнским ядром, ядро продукта распада Y – дочерним ядром.
Правила радиоактивного смещения
Это правила, позволяющие установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.
\( \gamma \) -излучение сопровождает \( \alpha \) - и \( \beta \) -распады, а также возникает при ядерных реакциях, торможении частиц, их распаде и т. д.
Биологическое действие радиоактивных излучений
Методы защиты от внешнего радиоактивного облучения:
Методы защиты от внутреннего радиоактивного облучения:
В дозиметрии различают поглощенную и эквивалентную дозы.
Поглощенная доза равна энергии радиоактивного излучения, поглощенного единицей массы вещества.
Обозначение – \( D \) , единица измерения в СИ – грей (Гр).
где \( E \) – энергия излучения; \( m \) – масса вещества.
Для характеристики биологического воздействия на организм используется коэффициент качества излучения \( (k) \) , или коэффициент относительной биологической активности.
\( k \) = 1 для \( \gamma \) -квантов, \( k \) = 3 для тепловых нейтронов, \( k \) = 10 для нейтронов с энергией порядка 0,5 МэВ.
Эквивалентная доза равна произведению коэффициента качества излучения и поглощенной дозы.
Обозначение – \( H \) , единица измерения в СИ – зиверт (Зв).
1 зиверт – это эквивалентная доза, при которой поглощенная доза равна 1 Гр при коэффициенте качества, равном 1.
Естественный фон составляет 2 мЗв за год.
Предельно допустимая доза – 5 мЗв за год.
При дозе 0,5 Зв наступает острое лучевое поражение организма.
Допустимая доза облучения за среднее время жизни человека (70 лет) составляет 0,35 Зв.
Закон радиоактивного распада
Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.
Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.
Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.
В начальный момент времени \( t \) = 0, число атомных ядер \( N_0 \) .
Через промежуток времени, равный периоду полураспада \( t=T_ <1>\) , число атомных ядер \( N=\frac
где \( N \) – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени \( t \) ; \( N_0 \) – начальное число атомных ядер; \( T_ <1>\) – период полураспада.
На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.
Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра
Элементарные частицы:
Нуклон – это частица, входящая в состав атомного ядра.
Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.
Массовое число – это число, которое определяет количество протонов и нейтронов в ядре и равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.
Обозначение – \( A \) , единица измерения – 1 атомная единица массы (а.е.м.).
Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре:
где \( A \) – массовое число; \( Z \) – количество протонов в ядре; \( N \) – количество нейтронов в ядре.
Зарядовое число – это число, которое показывает количество протонов в ядре.
Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах.
Элементарный электрический заряд равен заряду электрона:
\( Z \) – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.
Если некоторый химический элемент обозначить \( <>^A_ZX \) , это означает, что в его ядре \( Z \) – протонов и \( N=A-Z \) – нейтронов.
Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы.
Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.
Изотопы водорода: водород имеет два стабильных изотопа – водород \( <>^1_1H \) , дейтерий \( <>^2_1H \) и один радиоактивный изотоп тритий \( <>^3_1H \) .
Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы
Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.
Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.
Свойства ядерных сил:
Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.
Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:
где \( M \) – масса ядра.
Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:
где \( \Delta m \) – дефект масс.
Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.
Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:
где \( \Delta E_ <св>\) – энергия связи, \( c \) – скорость света.
Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).
Энергетический эквивалент 1 а.е.м.
Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:
В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).
Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.
Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:
где \( A \) – массовое число.
Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом \( A \) ≈ 100). У тяжелых ядер ( \( A \) ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.
Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.
У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением \( Z \) кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.
Ядерные реакции. Деление и синтез ядер
Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.
Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.
Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют \( \alpha \) -частицы (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.
Наиболее распространенный вид ядерной реакции:
где \( X \) и \( Y \) – исходное и конечное ядра; \( a \) и \( b \) – бомбардирующая и испускающая частицы.
Эндотермическая реакция – это реакция с поглощением энергии:
Экзотермическая реакция – это реакция с выделением энергии:
При ядерных реакциях выполняются следующие законы.
Примеры ядерных реакций
Изотоп фосфора оказался радиоактивным: его ядро распадается с испусканием позитрона и нейтрино:
Классификация ядерных реакций
Ядерные реакции классифицируются:
Деление ядер – это деление атомного ядра урана на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Механизм деления ядер (капельная модель)
В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y.
Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты.
В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов:
Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер.
Условия протекания цепной ядерной реакции:
Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой.
Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами.
Основные элементы ядерного реактора:
Термоядерный синтез
График зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа показывает, что кроме реакции деления тяжелых ядер с выделением энергии идут реакции синтеза легких ядер.
Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии.
Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества.
Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 10 7 К и выше).
В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд.
При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана.
Пример реакции синтеза:
Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·10 7 К.
При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·10 11 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива.
Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены.
В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·10 11 т, чему соответствует энергетический запас 10 17 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.
Как атомное ядро устроено в физике
Что такое атомное ядро — теории строения
В 1911 году британский физик Э. Резерфорд заявил об открытии, перевернувшее представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира.
В докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» Резерфорд говорил об:
«…атоме, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».
Открытие атомного ядра послужило началом для ядерной физики, изучающей свойства атомных ядер химических элементов.
Современное определение атомного ядра звучит так:
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена его основная масса.
Атомное ядро состоит из элементарных частиц:
Наука воспринимает атомное ядро как физический объект с характерными для него свойствами. Теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих атом. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых могут взаимоисключать, противоречить или дополнять друг друга.
Теории строения атомного ядра:
Предложена Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапоном в 1932 году, дополнена М. Гепперт-Майер и Х. Йенесоном в 1949 году.
Модель ядра представляет собой систему протонов и нейтронов, которые движутся в усредненном поле независимо друг от друга из-за силовых воздействий от других нуклонов.
Отрицательные частицы заполняют электронные оболочки до предела, а дальше электроны продолжают присоединяться со значительным понижением энергии связи.
Теория является неполной из-за невозможности объяснения деформированных ядер.
Предложена Н. Бором в 1936 году.
Согласно данной теории, ядро по форме представляет собой сферическую равномерно заряженную каплю, которая напоминает жидкость. Она обладает несжимаемостью, насыщением ядерных сил, испарением нуклонов.
Теория является макроскопической, не объясняя свойств и строение ядра на микроскопическом уровне.
Появление относится ко второй половине 30-х годов прошлого века.
Согласно теории, ядро представляет собой α-частичные кластера.
Теория подходит для описания некоторых легких ядер, но не пригодна для более сложных систем.
В 1936 году и в 1937 году была параллельно открыта Я. Френкелем и Л. Ландау.
Рассматривает модель атома с точки зрения уровней разного порядка, средние и тяжелые ядра на которых возбуждаются при высокой энергии, но расстояние между ними остается маленьким.
Открытие относится к 1952 году, когда О. Бор и Б. Моттельсон разработали свою систему на основе теории капельной модели строения атомного ядра.
По теории ядро образуется нуклонами заполненных электронных оболочек и окружается внешними нуклонами.
Также предложена в 1952 году О. Бором и Б. Моттельсоном. Объясняла некоторые особенности поведения ядер тем, что нуклоны, образующие ядро, могут деформироваться и становиться вытянутыми или сплюснутыми.
Предложена в 1958 году О. Бором и Дж. Валатином.
Согласно теории, спаривание нуклонов приводит к сверхтекучести ядерного вещества. Причина спаривания — взаимодействие частиц, которые движутся по индивидуальным орбитам.
Описывала причину сочетания вращения всего ядра с движением отдельных нуклонов. Согласно этой модели, ядро атома должно быть несферическим.
Ядро — полупрозрачная сфера, которая обладает определенным коэффициентом преломления и поглощения, а частица, попадающая в такую среду, испытывает все характерные для полупрозрачной оптической среды виды взаимодействия.
Ядро воспринимается как жидкая капля. Используется для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер.
Ядерно-физические характеристики
Важным понятием для определения ядерно-физических характеристик является понятие нуклида.
Нуклид — атом, который определяется четко установленным массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием. Нуклид имеет определенное время жизни, которое является достаточным для наблюдений и опытов.
К ядерно-физическим характеристикам относятся понятия:
Заряд Z атомного ядра определяется числом протонов, так же, как и порядковый номер химического элемента. Впервые заряд ядра в 1913 году определил английский физик Г. Мозли, сделавший вывод, что найденная в его опытах константа атома не может быть ничем другим, кроме как зарядом атомного ядра.
Для определения массы ядра необходимо из общей массы M вычесть все электроны.
Энергетический эквивалент массы вычисляется согласно соотношению Эйнштейна по формуле:
где c c — скорость света в вакууме.
Радиус ядра вычисляется соотношением:
где r 0 r 0 — константа.
Моменты ядра делятся на:
Собственный механический момент, или спин, является обязательной чертой нуклонов. Он равен ½, при этом ядра должны иметь механические моменты.
Число нуклонов некоторых химических элементов может быть очень велико, однако это не влияет на спины — их может быть небольшое количество из-за особенности взаимодействия одноименных нуклонов. Спины взаимно компенсируют друг друга, то есть пары всегда образуются между антипараллельными спинами.
Магнитные моменты возможны в природе благодаря изменению спинов. Магнитные моменты ядер малы из-за большой массы нуклонов, поэтому не могут идти в сравнение с магнитными моментами электронов. Магнитный момент четно-четных пар равен нулю, что характерно и для спинов.
Не все атомные ядра обладают спином больше единицы. Этой чертой обладают только ядра нечетно-нечетного состава. Такие ядра могут иметь электрические квадрупольные моменты, которые характеризуют ядра как несферические объекты.
Атомные ядра, испытывающие квадрупольные моменты бывают положительными и отрицательными.
Несферическая форма электрических полей позволяет образовываться новым электрическим уровням.
Экспериментально было доказано, что масса ядра стабильных ядер меньше суммы масс отдельных нуклонов. Это привело к образованию соотношения дефекта масс:
где m p m p и m n m n — массы свободного протона и нейтрона
Энергия связи ядра эквивалентна энергии дефекта масс:
где c c — скорость света в вакууме.
Состав, из каких частиц состоит
Атомное ядро состоит из:
Электроны e образуют электронную оболочку атома, но не входят в состав ядра. Заряд электрона отрицателен.
Число нейтронов и протонов
Протоны и нейтроны вместе имеют название нуклоны и определяются массовым числом A.
Число протонов и нейтронов может отличаться. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.
Заряд ядра
Зарядовое число Z определяется числом протонов p, которое также определяет число электронов в атоме и номер химического элемента в ПСХЭ.
Например, если взять углерод, то:
Синтез атомных ядер, выделение энергии
Слияние двух и более атомных ядер с последующим появлением нового ядра или различных элементарных частиц называется синтезом атомных ядер и происходит в результате ядерных реакций.
Синтез ядер в природе очень сложен, так как заряженные ядра имеют силы отталкивания — кулоновский барьер. Для синтеза ядер требуются силы извне, которые помогут сблизить ядра на расстояние порядка 10-15 м.
При проведении ядерных реакций и радиоактивного распада происходит выделение энергии, или выделение атомной/ядерной энергии.
Применение этой энергии происходит в условиях ядерной энергетики, на атомных энергетических станциях, в военных целях.