Радиоактивность и структура ядра. Ядерные силы

 Содержание

1. Введение
2. Общие сведения о радиоактивных излучениях.
3. Строение атомного ядра.
4. Ядерно-физические характеристики ядра.
5. Радиоактивный распад
6. Взаимодействие излучений с веществом

А) Взаимодействие Альфа-частиц с веществом;

Б) Взаимодействие Бета-частиц с веществом;

В) Взаимодействие Гамма-частиц с веществом;

Г) Взаимодействие нейтронов  с веществом;

7. Ядерные силы.
8. Заключение.
9. Используемые источники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.

Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением  его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие исследования свойств атомов и электронов завершились  созданием квантовой механики —  физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной  физики, а она в свою очередь  выступает опытным полигоном. Атомной  физикой установлены оптические спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей  спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения радиоактивности  произошло выделение ядерной  физики, изучающей взаимопревращение  элементарных частиц — физика элементарных частиц.

Атомная физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в атомных ядрах и взаимопревращение  элементарных частиц. Но эта дисциплина изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим  ядром, а только с электронной  оболочкой. Ядерная физика изучает  превращения атомных ядер, происходящие как в результате радиоактивных  распадов, так и в результате различных  ядерных реакций. Достижения ядерной  физики немыслимы без использования  достижений физики и техники ускорителей  заряженных частиц. Именно создание различных  ускорителей элементарных частиц помогли  исследователям во многих проблемах  изучения атомных ядер и их превращений. Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся ядерными реакциями, происходящими под действием  нейтронов. Современная ядерная  физика распадается на две взаимосвязанные  ветви — теоретическую и экспериментальную  ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.), разнообразные детекторы частиц.

Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное  значение, позволяя глубже проникать  в тайны природы. В то же время  эти исследования важны и для  практического использования в  ядерной энергетике, медицине, в  ядерных реакторах на ледоколах, для изучения ядерных реакций  для использования в мирных целях, для синтеза материалов. В своем реферате я рассмотрел вопросы касающееся строения ядра, радиоактивный распад, взаимодействие излучений с веществом, а также ядерные силы.

 

          2. Общие сведения о радиоактивных излучениях.

Радиоактивность появились на земле со времени ее образования и человек за всю историю развития своей цивилизации находился под влиянием естественных источников радиации. Земля подвержена радиационному фону, источниками которого служат излучения Солнца, космическое излучение, излучение от залегающих в Земле радиоактивных элементов.

Под термином радиоактивность  рассматривают ионизирующее излучение, т.е. излучение, действующее на вещество и изменяющее физическое состояние атомов в нем. Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем 1 марта 1896 года при случайных обстоятельствах. Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик своего стола и, чтобы на них не попал видимый свет, он придавил их куском соли урана. После проявления и исследования он заметил почернение пластинки, объяснив это излучением солью урана невидимых лучей. От солей урана Беккерель перешёл к чистому металлическому урану и отметил, что эффект испускания лучей усилился. Так произошло открытие радиоактивности.

Исследования показали, что  эти лучи проникают сквозь тонкие металлические экраны и ионизируют газ, через который проходят. Их проникающая  способность не зависит ни от температуры, ни от освещения, ни от давления. Их интенсивность  не менялась со временем. Замечательной  способностью обнаруженного излучения  оказалась его самопроизвольность. Эти лучи, назвали позднее рентгеновскими.

Поисками веществ, способных  к лучеиспусканию, по предложению  Беккереля занялись молодой профессор  Пьер Кюри и его супруга Мария  Складовская-Кюри. Эти учёные обнаружили, что урановая смоляная руда обладает способностью давать излучение, в 4 раза превосходящее по интенсивности  излучение урана. Это свидетельствовало  о том, что в руде присутствовал  источник излучения, более мощный, чем  уран. В 1898 году супруги Кюри открыли  два новых элемента — полоний, названный так в честь родины Марии Складовской-Кюри — Польши, и радий, что означает по латыни "испускающий  лучи".

В честь супругов Кюри получил  свое название искусственно полученный трансурановый элемент с номером 96 — Кюрий. Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все, начиная с висмута, т.е. с порядковым номером более 83 в таблице элементов Менделеева.

Вещества, испускающие новые  излучения были названы радиоактивными, а новое свойство вещества, связанное с испусканием излучения, по предложению М. Кюри, было названо радиоактивностью.

Вскоре после открытия полония и радия Резерфордом  было установлено, что радиоактивное  излучение неоднородно по своему составу. Одна часть излучения поглощается  тонкой алюминиевой фольгой, а другая проходила без изменения. Анализ состава излучения проводился по отклонению его в магнитном поле. Было обнаружено, что излучение содержит три вида лучей — альфа, бета, гамма.

Характер отклонения лучей  в магнитном поле показывает, что  альфа-лучи несут положительный  заряд. Оказалось, что это атомы  гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия-4. Ядро гелия-4 состоит из двух положительных протонов и двух нейтральных нейтронов. Все частицы в ядре связаны прочной связью, и оно стабильно.

Альфа-лучи — тяжелые частицы с малой проникающей способностью.

Бета-лучи — легкие частицы с большой проникающей способностью. Бета-лучи представляют собой поток быстро летящих электронов. Их скорость близка к скорости света.

Гамма-лучи обладают максимальной проникающей способностью и представляют собою жесткое электромагнитное излучение. Гамма-лучи обладают относительно малой ионизирующей способностью, в тоже время они имеют большие частоты, чем рентгеновские лучи. Это свойство гамма-лучей привело к широкому использованию их в медицине, для лечения злокачественных опухолей, диагностике заболеваний и т.д.

Разделение радиоактивного излучения в магнитном поле на альфа-, бета - и гамма-лучи схематично показано на рисунке.

 

3. Строение атомного ядра.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса, и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют от одного фемтометра, что в более чем в 100 тысяч раз меньше размеров самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов и сильно зависит от количества входящих в него частиц и энергии их связи.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным   и связанным с ним магнитным моментом.

Атомное ядро, рассматриваемое  как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято  называть нуклидом.

Количество протонов в  ядре называется его зарядовым числом   — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом  . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом  (очевидно  ) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая  система, ядра могут находиться в  метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами.

В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил:

 

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого  однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома  α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом, Резерфорд  открыл атомное ядро, с этого момента  и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных  ядер. После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер.

С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила  экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер, в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном.  В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг  выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и её приложений.

 

4. Ядерно-физические характеристики ядра.

Зарядовым числом   полностью определяется химический элемент. Парой чисел   и   (массовое число) полностью определяется нуклид. Можно рассмотреть некоторые ядерно-физические характеристики нуклидов с заданными зарядовыми и массовыми числами.

Заряд

Число протонов в ядре   определяет непосредственно его электрический заряд, у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ядерные свойства изотопов элемента в отличие от химических, могут различаться чрезвычайно резко.

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году. Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы  , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

, где  и   — постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину  волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с  порядковым номером элемента, может  быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли.

Масса

Из-за разницы в числе  нейтронов   изотопы элемента имеют разную массу  , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.). Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть еще и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной  физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы  соответствует полная энергия:

, где   — скорость света в вакууме.

Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях:

.

Радиус

Анализ распада тяжёлых  ядер уточнил оценку Резерфорда и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:

,

где   — константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой  и связан, прежде всего, с радиусом действия ядерных сил, то значение   зависит от процесса, при анализе которого получено значение  , усреднённое значение   м, таким образом, радиус ядра в метрах:

.

Спин

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным  , то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения  .

Несмотря на то, что число  нуклонов в ядре может быть очень  велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких  , что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д.

Магнитный момент

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно  связанных с ними магнитных моментов. Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами, наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса.