Радиоактивность и структура ядра. Ядерные силы

Энергия связи.

Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткоживущими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.

Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса  ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:

, где   и   — массы свободного протона и нейтрона,   — масса ядра.

Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно  вычислить, разделив энергию связи  ядра на число содержащихся в нём  нуклонов:

Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую  нужно затратить, чтобы удалить  один нуклон из ядра, или среднее  изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон  поглощается в нём.

Устойчивость  ядер.

Из факта убывания средней  энергии связи для нуклидов с  массовыми числами больше или  меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми  энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими   —процесс деления. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики, а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что  устойчивость ядер также существенно  зависит от параметра   — отношения чисел нейтронов и протонов.

Ядра лёгких нуклидов наиболее

устойчивы при  .        

 С ростом массового  числа всё 

более заметным становится

электростатическое отталкивание

между протонами, и область 

устойчивости сдвигается

к значениям  .

Для наиболее тяжёлых ядер  

.

Z	N=A-Z	A	Число нуклидов
Чётное	Чётное	Чётное	167
Чётное	Нечётное	Нечётное	55
Нечётное	Чётное	Нечётное	53
Нечётное	Нечётное	Чётное	4

Таким образом, чётность числа  протонов или нейтронов создаёт  некоторый запас устойчивости, который  приводит к возможности существования  нескольких стабильных нуклидов, различающихся  соответственно по числу нейтронов  для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа  нейтронов в составе тяжёлых  ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов.

 

5. Радиоактивный распад.

В 1911 году Резерфорд и  Содди показали, что атомы некоторых  веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные  ряды, где каждый член этого ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные  поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Позже, способность некоторых  ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных  видов излучения и элементарных частиц называли радиоактивностью. При этом различают два вида радиоактивности — естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атома, существующих в природе, и искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций. Оба вида радиоактивности ничем принципиально не отличаются друг от друга и описываются одними и теми же законами радиоактивных превращений.

Процесс естественного, самопроизвольно  происходящего радиоактивного превращения  называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядра, испытывающие распад, называются радионуклидами. Исходное атомное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате распада, называется дочерним.

Радиоактивный распад происходит со строго определённой скоростью, характерной  для каждого данного элемента. Время, за которое исходное число  радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т. Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких пределах. Так, например, период полураспада урана составляет 4,5 млрд. лет, радия — 1620 лет, радона— 3,8 суток. Более того, периоды полураспада у изотопов одного и того элемента могут сильно различаться — у Ra Т = 1630 лет, а у Т=0,001с.

Поскольку отдельные радиоактивные  ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада  носит статистический характер.

Среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада, т.е. радионуклиды, из которых 37000 распадается каждую 5 секунду.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, установленными опытным путём. Правила смещения: => для альфа-распада (превращения ядер, сопровождающиеся испусканием альфа-частиц)

:=>

для бета распада (превращения  ядер, сопровождающиеся, испусканием  бета-частиц)

Правила смещения являются следствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных  распадах — сохранения электрического заряда и массового числа: сумма  зарядов (массовых чисел) возникающих  ядер и частиц равна заряду (массовому  числу) исходного ядра.

Получившееся в результате распада дочернее ядро тоже может  быть радиоактивным. В результате возникает цепочка или ряд радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным изотопом. Совокупность элементов, образующих цепочку, называется радиоактивным семейством.

 

6. Взаимодействие излучений с веществом.

Для регистрации радиоактивности  и мер защиты от ядерных излучений, необходимо знать за счет каких процессов  теряется энергия излучения, проходя  через вещество; какова ионизирующая способность различных видов  излучения.

В основном заряженные частицы, проходя через вещество, теряют свою энергию за счет столкновений с атомами  этого вещества. Так как масса  ядра вещества на много больше по сравнению  с массой электронов атома, то наблюдаются  существенные различия между столкновениями "электронными" (падающая частица  сталкивается с электроном) и "ядерными" столкновениями (падающая частица сталкивается с ядром атома). В первом случае происходит возбуждение или ионизация  атома (неупругое столкновение), во втором — частица и атом приходят в движение как единая система (упругое  столкновение). Ядерные столкновения происходят в веществе многократно, что приводит к рассеянию частиц. Если в результате взаимодействия появляются новые частицы или исчезают первоначальные, то этот процесс называют реакцией. В частности, если возникают при взаимодействии ядра с новыми свойствами, то реакция называется ядерной.

Процесс радиоактивного превращения  элементов всегда сопровождаются выбросом элементарных частиц. Это могут быть заряженные частицы такие, как альфа-, бета-частицы, протоны и другие, нейтральные  — нейтроны, нейтрино, так и гамма  кванты различных энергий.

Пучки заряженных элементарных частиц, ядра лёгких элементов, ионов  оказывают ионизирующее воздействие  на вещество, через которые они  проходят. Опосредствованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные  частицы, прежде всего нейтроны: в  результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются  ядром протон и гамма квант, которые  и вызывают ионизацию среды.

Рассмотрим процессы, сопровождающие прохождение ионизирующего излучения  через вещество.

 

А) Взаимодействие Альфа-частиц с веществом.

История открытия и изучения альфа-частиц связана с именем Резерфорда. При помощи альфа-частиц Резерфорд  проводил исследования большинства  атомных ядер.

Альфа-частицы это атомы  гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия

Ядро гелия, состоящее  из двух протонов и двух нейтронов  устойчиво, частицы связаны в  нем прочно.

В настоящее время известно более 200 альфа активных ядер, главным  образом тяжёлых (А > 200, Z > 82), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160). Примером альфа распада может служить распад изотопов урана:

Скорости, с которыми альфа-частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4 х 10⁷ до 2,0x10' м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц 4—8,8 МэВ. Альфа-частицы в состав ядра не входят, и, по современным представлениям, они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество, альфа-частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию  газов. Причём в начале пути, когда  энергия альфа-частиц велика, удельная ионизация меньше, чем в конце  пути.

Под пробегом частицы в  веществе понимается толщина слоя этого  вещества, которую может пройти эта  частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для  тяжелых частиц, т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег альфа-частиц зависит как  от энергии частиц, так и от плотности  вещества, в котором они движутся.

По пробегу альфа частицы  можно определить ее энергию.

 

Б) Взаимодействие Бета-частиц с веществом.

Бета-распад происходит, когда  замена в атомном ядре нейтрона на протон энергетически выгодна, и  образующееся новое ядро имеет большую  энергию связи. Бета-излучение состоит из бета-частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Электроны не входят в состав ядра и не выбрасываются из оболочки атома, при электроном бета- распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного бета-распада может служить распад стронция:

При позитронном бета-распаде  происходит превращение протона  в нейтрон с образованием и  выбросом из ядра позитрона. Заряд и  порядковый номер ядра уменьшаются  на единицу. Позитронный бета-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. Примером позитронного бета-распада может  служить распад радионуклида натрия:

К бета-распаду относится  также электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в  нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться  в возбужденном состоянии.

Переходя в основное состояние, оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата  может служить следующая реакция:

Бета-частицы, испускаемые  при бета-распаде, имеют различную  энергию, поэтому и пробег их в  веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом  среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного  ядра отрицательно заряженная бета-частица  резко тормозится и теряет при  этом часть своей энергии. Эта  энергия излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества интенсивность рентгеновского излучения возрастает.

Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.

 

В) Взаимодействие Гамма-излучения с веществом.

В литературе часто встречаются  термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или  общее название — электромагнитные волны с короткими длинами  волн, которые обладают большой проникающей  способностью в веществе. Различные  названия рентгеновские и гамма  лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным  видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных  реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

Гамма-излучение испускается  дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается  возбуждённым, а затем за время с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.

Гамма-кванты, обладая нулевой  массой покоя, не могут замедляться  в среде, они или поглощаются  или рассеиваются. Гамма-излучение  не имеет заряда и тем самым  не испытывает влияния кулоновских  сил. При прохождении пучка гамма-квантов  через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность.

Основными процессами, сопровождающими  прохождение гамма-излучения через  вещество является фотоэффект, комптоновское  рассеяние и образование электронно-позитронных  пар.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией E_k , равной

где I — энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv > ), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.

Увеличение энергии гамма  квантов приводит к монотонному убыванию вероятности Комптон-эффекта.

Рождение электронно-позитронной  пары — процесс, при котором гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ.