Физика атомного ядра

Это в 1886 раз больше массы электрона

Линейный размер ядра составляет ~10-15 м, атома ~ 10-10 м.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Массовое число A — число нуклонов в ядре.

Число нейтронов в ядре N = A - Z.

Ядро химического элемента Х обозначается тем же символом, что и атом
с указанием чисел A и Z:

Изотопы

это ядра с одинаковым числом протонов Z, но разным массовым числом A.
Они имеют одинаковые химические, но разные физические свойства.
Например, водород имеет три изотопа:

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Притяжение нуклонов в ядре объясняется тем, что они обмениваются
квантами ядерного поля — элементарными частицами — глюонами.

Из обменного характера взаимодействия вытекают свойства ядерных сил:

Близкодействие — радиус действия ядерных сил < 2,2∙10-15 м.

Насыщенность — каждый нуклон взаимодействует с ограниченным
количеством соседей.

Зарядовая независимость — не зависят от электрического
заряда нуклона.

Ядро сохраняет стабильность, если силы ядерного притяжения нуклонов больше сил кулоновского отталкивания протонов.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Энергия свободных нуклонов больше, чем их энергия в ядре

Взаимосвязь массы и энергии

объясняет уменьшение исходной массы протонов и нейтронов
при образовании ядра (дефект массы Δm):

По дефекту массы определяется энергия связи ядра:

mp , mn — масса протона и нейтрона,

mядро — масса ядра,

c — скорость света.

так как масса свободных нуклонов больше, чем их энергия в ядре, то

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Она зависит от массового числа A ядра.
Чем больше энергия связи, тем устойчивей (стабильней) ядро элемента.

Наиболее устойчивыми являются ядра с массовыми числами
A = 50÷60 (элементы от Cr до Zn) с ΔEсв = 8,7 МэВ/нуклон.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Для самого тяжелого природного элемента – урана ΔEсв = 7,5 МэВ/нуклон.

Энергетически выгодным является деление тяжелых ядер
на более легкие (взрыв атомной бомбы) или слияние (синтез)
легких ядер в более тяжелое ядро (взрыв водородной бомбы).

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Поэтому в ядре существуют энергетические
уровни (подобные уровням атома),
заполняемые нуклонами
(уровни атома заполняются электронами).

Эти уровни группируются в оболочки.

Полностью заполненная оболочка –
это особо устойчивое образование.

Неустойчивые (возбужденные) ядра переходят в стабильное состояние,
испуская энергию в виде радиоактивного γ- излучения.

При испускании α-, β- частиц происходит превращение ядер одних элементов в ядра других химических элементов .

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Виды радиоактивных излучений

Альфа-распад

происходит с испусканием α-частиц — ядер атома гелия

Бета-распад

Гамма-излучение

излучение электромагнитной энергии с длиной волны λ~10‑12 м,
сопровождающее α- и β-распады.

Радиоактивность ядер в природных условиях
называется естественной.

Радиоактивность ядер, полученных в
ядерных реакциях– искусственной.

Любые радиоактивные превращения подчиняются
одинаковым законам.

Типы частиц определяют по их поведению
в магнитном поле (см. рис).

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

— количество ядер в начальный
момент времени t = 0,

— количество нераспавшихся ядер
в момент времени t.

T — период полураспада известен
для любого элемента.

Период полураспада

T, с ‑ это время, за которое распадается половина первоначальных ядер.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Для α-распада

Для β-распада

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

А (Бк, беккерель); 1 Бк = с−1.
В образце с активностью 1 Бк происходит в среднем 1 распад в секунду.

Активность уменьшается со временем.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

или с другими ядрами.

Образование новых ядер

сопровождается испусканием элементарных частиц

Ядерную реакцию можно представить так:

При ядерных реакциях выполняются следующие законы сохранения:

закон сохранения массового числа:

закон сохранения зарядового числа:

а также,

закон сохранения энергии,

закон сохранения импульса,

закон сохранения момента импульса.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

поглощая нейтрон,

При поглощении нейтронов
соседними ядрами урана возникает
цепная реакция – взрыв.

По выделяемой энергии
1 грамм урана
эквивалентен 3000000 г (3 т) угля. 1 тонна урана
эквивалентна 3 000 000 тонн угля.

Критическая масса

это минимальное количество делящегося вещества, необходимое для
начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Например, для урана 235 критическая масса 0,8÷45 кг.
Зависит от количества примесей, формы изделия, а также от окружения.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

Например, слияние ядер дейтерия и трития:

Термоядерная реакция протекает при сверхвысоких температурах
107–109 К, при взрыве водородной бомбы, в недрах звезд.

Управляемые термоядерные реакторы

предусматривают различные способы разогрева плазмы дейтерия и
трития до сверхвысоких температур:

Пропускание тока
Нагревание лучами лазера
Механический способ разогрева за счет ударных волн (рис.)

Под воздействием ударной волны происходит адиабатное сжатие
колец плазмы и запуск термоядерной реакции с образованием
гелия в качестве продута слияния ядер дейтерия и трития,
и выделением огромного количества тепловой энергии.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru

В клетках возникают мутации, что приводит к злокачественным
образованьям и лучевой болезни.

Опасной для человека является доза облучения в 500 Р (рентген)
— без лечения 50% смертность.

Биологический эквивалент рентгена — бэр.

В.П. Сафронов 2015 safron-47@mail.ru