Процессы в микромире. Элементы ядерной физики

Если свойства и квантовая физика атомов раскрывались путем изучения испускания и поглощения ими фотонов, а также линейчатых спектров атомов, то свойства ядер путем изучения радиоактивных излучений при естественной и искусственной радиоактивности, открытой соответственно А. Беккерелем (1896 г.) и супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри (1934 г.). Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения атомных ядер в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.

Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов, полученных в ядерных реакциях.

Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе.

Радиоактивный распад – естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее произвольно.

Закон радиоактивного распада:

; ,

где - число нераспавшихся ядер в момент времени ; - начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени ); - постоянная радиоактивного распада; - основание натурального логарифма; - период полураспада – время, за которое исходное число ядер в среднем уменьшается вдвое.

Закон радиоактивного распада – статистический закон, имеющий явный квантовый характер, т.е. вероятность распада ядра связывается с превышением полученного им кванта энергии над энергией, необходимой для его радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада справедлив при наличии очень большого числа радиоактивных ядер.

Очевидно, что статистический закон радиоактивного распада, как и квантовый характер электромагнитного излучения, опирается на соотношение неопределенностей для энергии и времени: , что и обуславливает достаточно медленный радиоактивный распад ядер (период полураспада может принимать значения, например, для – 12,5 часов и для – 7,1×10⁸ лет.

Как писал Х. Лоренц: «Не будет преувеличением сказать, что в нашей картине мира квантовые условия есть то, что сдерживает материю и предохраняет ее от потери всей своей энергии путем излучения» (и (или) своего изотопно-радиоактивного распада – вставка наша).

Среди процессов радиоактивных превращений различают:

v -распад, при котором ядро испускает -частицы – ядра гелия ;

v -распад, связанный с испусканием или поглощением электронов и позитронов;

v -излучение ядер – испускание ядром -квантов;

v спонтанное деление тяжелых ядер;

v протонную радиоактивность.

Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы называют нуклонами. Некоторые характеристики протонов и нейтронов приведены в схеме 37.

Схема 37. Основные характеристики нуклонов.

Обозначение
Заряд	Кл
Масса	кг	кг
Спин
Стабильность	Стабилен (время жизни с)	Нестабилен в свободном состоянии ( мин)

Для обозначения ядер применяется символ

,

где под подразумевается химический символ данного элемента; - зарядовое число ядра, равно числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе; - массовое число, равное числу нуклонов в ядре (сумме протонов и нейтронов ).

Заряд ядра , поскольку атом нейтрален, заряд ядра определяет и число электронов в атоме.

В ядерной физике различают:

v Изотопы – ядра с одинаковым , но разным .

v Изобары – ядра с одинаковым , но разным .

v Изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов.

Энергия связи ядра – энергия, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

,

где - соответственно массы протона, нейтрона и ядра; - скорость света в вакууме. Нетрудно заметить роль специальной теории относительности в обосновании формулы для энергии связи.

Удельная энергия связи – энергия связи, отнесенная к одному нуклону:

,

где А – массовое число.

Рис. 5.2 Зависимость удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа А.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа имеет характерный максимум в области значений ~ 60 (см. рис. 5.2), т.е. около ядер железа ( ). Такая зависимость связана с конкуренцией электростатического отталкивания протонов в ядре и ядерных сил притяжения нуклонов друг к другу. Итак, в энергию связи ядер включаются два вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитное и сильное. В легких ядрах преобладают силы кулоновского отталкивания. При увеличении массы ядра все больше проявляют себя силы притяжения. Однако эти силы короткодействующие, поэтому, когда ядро становится большим, притяжение нуклонов, которое распространяется только на соседние частицы, опять оказывается не в состоянии противостоять силам электростатического отталкивания. В результате энергия связи снова уменьшается. Энергетически выгодно:

1) деление тяжелых ядер на более легкие;

2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые ядра.

Таким образом, зависимость удельной энергии связи от массового числа объясняет принципиальную возможность получить энергию в ядерных реакциях деления и синтеза.

Различают три модели ядра:

v Капельная (1936 г., Н. Бор, Я.И. Френкель).

Первая модель ядра. Основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости.

v Оболочечная (1949-1950 г.г., М. Гепперт-Майер, Х. Иенсен).

Предлагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемых нуклонами согласно принципу Паули и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют.

v Обобщенная.

Синтез капельной и оболочечной моделей.

Особая роль в ядерной физике принадлежит ядерным реакциям, через которые реализуется ядерная энергетика на Земле и в Космосе, а также синтез и превращение химических элементов в звездах.

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами ( в том числе и с -квантами) или друг с другом.

Символическая запись:

или в сокращенном виде X(a, b)Y.

Роль частиц и чаще выполняют нейтрон , протон , дейтрон , -частица и -квант.

Частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, могут быть не только и , но вместе и ними и другие и . В этом случае говорят, что ядерная реакция имеет несколько каналов, причем, исходя из концепций квантовой механики, различным каналам соответствуют различные вероятности. При анализе ядерных реакций используется своеобразный синтез идей, принципов и законов современной физики, в частности, фундаментальный принцип симметрии, обуславливающий законы сохранения зарядовых и массовых чисел, специальную теорию относительности, позволяющую оценить энергетику ядерных реакций, и естественно, концепции квантовой механики и законы квантовой электродинамики.

Выделяют экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (с поглощением тепла) ядерные реакции.

Особое значение в энергетике земной и космической имеют цепные реакции деления и термоядерные реакции.

Приведем соответствующие примеры.

Реакция деления: .

Реакция синтеза ядер (термоядерные реакции), происходящие на Солнце и других водородных звездах:

,

где - дейтерий ( ).

Соответствующий протонный цикл становится возможным только при температуре 10⁷К, которая достигается за счет гравитационного сжатия.

Обратим внимание, что первая из термоядерных реакций на Солнце с образованием пары позитрон+нейтрино представляет собой пример слабого взаимодействия. Итак, в главном источнике нашей жизненной световой энергии на Солнце фактически взаимодействуют все четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Литература.

1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М. Наследников, А.Я Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д: ДГТУ, 2008 – 350 с. [Электронный ресурс №ГР 15393, 2010]. Режим доступа: http:// de.dstu.edu.ru/, с. 106-135.

2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания6 учеб-метод. пособие./ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. – Ростов н/Д, 2007, с. 40-52.

3. Трофимова Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач: учебное пособие/ Т.И. Трофимова. – М.: КНОРУС, 2007, с. 208-222.

4. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: учебное пособие/ В.В. Горбачев. Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников – СПб.: Издательство «Лань», 2010, с. 42-59, 60-64, 73-77, 105-113.

5. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд.. испр./ Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 63-72, 86-109, 126-139.