Шпаргалка по "Физике"

2. позитронный (β₊) распад;

3. электронный захват (е- или К-захват).

В первых двух процессах происходит превращение одного вида нуклона в ядре в другой:

 ( -распад), где – антинейтрино электронное;

 ( -распад), где – нейтрино электронное.

В случае е-захвата происходит превращение протона в нейтрон:

.

Процесс заключается  в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру К-слое атома. Протон, превращаясь в нейтрон «захватывает» электрон; отсюда происходит термин «электронный захват». Особенностью этого типа β-распада является вылет из ядра только частицы . Примером е-захвата является превращение радиоактивного ядра бериллия в устойчивое ядро лития . Электронный захват в отличие от -распада сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, принадлежащим К-линии соответствующего элемента.

Естественный  -распад происходит так, что нейтрон самопроизвольно превращается в протон . Энергия покоя нейтрона превышает энергию покоя атома водорода (т.е протона и электрона вместе взятых) на 782 кэВ. Поэтому превращение нейтрона в протон ( -распад) энергетически возможен и вне ядра. В потоках нейтронов большой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, обнаружен радиоактивный распад свободных электронов.

dN – число электронов,                                       Превращение типа воз-

энергия которых от Е до Е+dЕ            можно только в ядрах, где необходимая для этого энергия заимствуется у соседних частиц.

Решающим экспериментальным  фактом для понимания механизма -распада и создания его теории стало изучение энергетического спектра испускающих электронов. Этот спектр оказался непрерывным, простирающимся до Е_max. Е_max называется верхней границей энергии -спектра. Для данного источника невозможны энергии электронов, превышающие -распад.

Для согласования непрерывности  спектра с дискретностью энергетических уровней ядер, необходимо считать, что  вместе с электроном из ядра испускается еще одна частица – электронное антинейтрино . Полная энергия, теряемая ядром при -распаде, равна Е_max, но она различным образом распределяется между электроном и электронным антинейтрино. Е_max определяет разность энергий двух уровней ядра.

На графике точка  при Е_max означает, что вся энергия -распада уносится электроном. Нулевое значение энергии электрона на кривой соответствовало бы тому, что вся энергия уносится антинейтрино .

 

Гамма-излучение (γ-излучение)

Гамма-излучением называется коротковолновое электромагнитное излучение, энергия которого испускается  при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях. В первом случае, согласно правилу частот Бора:

,

где – частота фотона, соответствующего переходу ядра из состояния с энергией в состояние с энергией . и много больше разности уровней электронов в атоме. Для γ-излучения .

γ-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер.

Происхождение и свойства γ-излучения подтверждаются закономерностями внутренней конверсии γ-излучения – явлением фотоэффекта на электронах внутренних оболочек атома под действием γ-излучения его ядра. Электроны, образовавшиеся в результате такого внутреннего фотоэффекта, называется конверсионными (электроны конверсии).

Энергия фотоэлектрона конверсии связана с энергией фотона γ-излучения уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

,

где А_n – работа выхода электрона с n-той электронной оболочки атома, численно равная энергии электронов, находящихся на определенных энергетических уровнях в атоме.

Действие γ-излучения и других видов ионизирующих излучений оценивается поглощенной дозой излучения D – отношение поглощенной энергии излучения к массе облучаемого вещества.

=[1 Гр] (грэй) – массе в 1 кг облучаемого вещества передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Внесистемная единица 1 рад=10^-2 Гр.

Мощностью N поглощенной дозы излучения называется доза, отнесенная к единице времени:

.

Энергетической характеристикой  излучения, оцениваемой по ионизации  сухого атмосферного воздуха, является экспозиционная доза излучения D_Э.

 – экспозиционная доза  рентгеновского или γ-излучения, при которой сумма электрических зарядов ионов одного знака, созданных электронами, освободившимися в облученном воздухе массой 1 кг при полном использовании ионизирующей способности, равна 1 Кл.

Внесистемной единицей является Рентген: . Мощностью N_Э экпозиционной дозы называется экпозиционная доза, отнесенная к единице времени:

.

Внесистемная единица  . Доза излучения может быть оценена по ее биологическому воздействию – эквивалентная доза излучения, которая измеряется в СИ в зивертах (Зв). 1 Зв соответствует поглощенной дозе 1 Гр при воздействии рентгеновского или γ-излучений. Внесистемная единица: 1 бэр (биологический эквивалент рентгена) = 10^-2 Зв.

 

32.  Ядерные реакции. Примеры ядерных превращений.

  Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами. Как правило, в ядерных реакциях участвуют два ядра и две частицы. Одна пара «ядро-частица» является исходной, другая – конечной.

Символически можно  записать:

, где А, В – исходное и конечное ядра, а, b – исходная и конечная частицы.

Иногда ядерная реакция  может происходить неоднозначно по различным схемам (каналам). При этом начальный этап реакции называют входным каналом (A+a):

                                B+b

A+a

                                C+c

Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции Q, равной разности энергий конечной и исходной пар в реакции. Если:

Q < 0 – реакция эндотермическая (с поглощением тепла);

Q > 0 – реакция экзотермическая (с выделением тепла).

В ядерных реакциях выполняются  законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда и массовых чисел. Если кинетическая энергия вступающих в реакцию частиц достаточна для рождения нуклон-антинуклонной пары, то массовое число может изменяться.

В зависимости от характера  взаимодействия частицы «a» с мишенью А различаются прямые взаимодействия (ядерные реакции проходят в один этап) и ядерные реакции, происходящие в два этапа с образованием составного ядра (компаунд-ядра)

.

На первом этапе налетающая частица застревает в ядре-мишени и ее энергия равномерно распределяется между всеми частицами составного ядра, так что ни одна частица не получает энергии, достаточной для покидания ядра. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами составного ядра на какой-либо одной их них концентрируется энергия, достаточная для вылета частицы из ядра. Если , то происходит рассеяние частицы ядром. Если , то происходит ядерная реакция в прямом смысле.

Ядерные реакции при  малых энергиях (~ 1эВ) происходят в основном под действием нейтронов.

Реакции при средних  энергиях (~ нескольких эВ) вызываются нейтронами, α-частицами, протонами, дейтронами, γ-фотонами, ядрами тяжелого водорода.

Реакции при высоких  энергиях (сотни и тысячи МэВ) приводят к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц (мезонов, гиперонов и др.).

 

Примеры ядерных  превращений

ПОД ДЕЙСТВИЕМ α-ЧАСТИЦ

Исторически первая ядерная  реакция превращения азота в  кислород:

 или  .

Ядерная реакция, в которой впервые были получены нейтроны:

.

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОТОНОВ

Имея вдвое меньший  по сравнению с α-частицами положительный заряд, протоны легче проникают сквозь потенциальный барьер внутрь ядра. Протоны, необходимые для ядерных реакций с энергиями получают с помощью ускорителей. Под действием протонов достаточно большой энергии могут идти ядерные реакции практически на всех ядрах. Например:

;

;

;

;

.

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ФОТОНОВ

При облучении атомных  ядер -фотонами последние вызывают реакцию выбивания нуклона из атомного ядра или ядерный фотоэффект. Такие реакции называют фоторасщеплением атомных ядер или фотоядерными реакциями:

;

.

ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ

Нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, поэтому  легко захватываются атомными ядрами, в результате получается либо стабильное, либо радиоактивное ядро. В зависимости от скорости нейтроны разделяются на две резко разделяющиеся группы: медленные нейтроны, скорость (энергия) которых равны скорости (энергии) теплового движения атомов, и быстрые нейтроны, скорость которых во много раз превосходит скорость теплового движения атомов. У медленных нейтронов длина дебройлевской волны больше радиуса ядра . Энергия не превышает 100 кэВ. Медленные нейтроны с энергиями 0,005 эВ до 0,5 эВ называются тепловыми нейтронами. При энергиях, меньших 0,005 эВ, различают холодные и ультрахолодные нейтроны.

Ядерные реакции с  образованием заряженных частиц α и р происходят главным образом под действием быстрых нейтронов, приносящих в ядро достаточно большую энергию, необходимую заряженной частице для преодоления потенциального барьера и выхода ее из ядра. Медленные нейтроны вызывают реакции с образованием заряженных частиц лишь в легких и средних ядрах:

;

.

Наряду с такими реакциями большое значение имеют процессы захвата и неупругого рассеяния, результатом которого является сохранение того же ядра и образование одного нейтрона:

.

Из ядра вылетает не тот  нейтрон, который захвачен ядром. Ядро-продукт оказывается возбужденным и переходит в нормальное состояние с излучением -кванта.

 

 

33.  Трансурановые элементы. Деление ядер. Реакция синтеза.

  Трансурановые элементы

Благодаря ядерным реакциям была обнаружена возможность создания химических элементов, атомы которых имеют ядра, превышающие 92. Такие химические элементы называются трансурановыми (т.е. заурановыми).

Например, образование  изотопа нептуния:

.

Ядро изотопа нептуния является β-радиоактивным:

.

Плутоний  является α-радиоактивным:

.

 

Деление ядер

В 1938 году Ганн и Штрассман  показали, что облучение урана  нейтронами приводит к появлению  химического элемента из середины таблицы Менделеева. Эти результаты были объяснены Фришем и Мейтнером, которые предположили, что тяжелые ядра неустойчивыми. Возбужденное при захвате нейтрона тяжелое ядро может разделиться на две приблизительно равные части, называемые осколками деления. Нуклоны исходного составного ядра должны распределяться между осколками деления с выполнением законов сохранения зарядов и массовых чисел.

Деление ядер урана на два осколка  должно сопровождаться выделением огромной энергии. Удельная энергия связи элементов средней части таблицы Менделеева 8,7 МэВ, а у тяжелых ядер 7,6 МэВ. Поэтому при делении неустойчивого «рыхлого» ядра урана на два устойчивых «упакованных» осколка должна освобождаться энергия, равная 1,1 МэВ на один нуклон. Основная часть энергии деления должна выделяться в форме кинетической энергии осколков деления.

Минимальная энергия, необходимая  для осуществления реакции деления  ядра называется энергией активации. Она составляет 1 МэВ.

Особенно важно, что  при делении ядер урана одновременно вылетает еще несколько нейтронов. Это обстоятельство открывает возможность создания самоподдерживающей (цепной) реакции в массе урана. В естественном уране имеется два изотопа (0,714%) и . Причем делится под действием быстрых нейтронов, а делится медленными и быстрыми нейтронами. Одной из реакций может быть следующая:

Существует целый ряд других возможностей разделиться на составные части. Обычно деление происходит так, что на образующие ядра-осколки уходит 233 или 234 нуклона. Соответственно выделяется 3 или 2 нейтрона. Возникшие нейтроны имеют большое значение для самоподдерживающейся реакции. Их энергии находятся в пределах от 0 до 7 МэВ. На один нейтрон в среднем приходится 2 МэВ.