Состав, размеры и форма атомных ядер.

Состав, размеры и форма атомных ядер.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд.

Всостав атомного ядравходят элементарные частицы: протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро).

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2). Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10^–15 м (размер атома равен 10^–10 м).

Спин и магнитный момент атомных ядер.

Спин − собственный момент количества движения микросистемы, ее внутреннее квантовое число. Спин ядра определяется количеством нуклонов: при четном числе нуклонов ядро имеет целый спин, при нечетном − полуцелый, т.к. нуклоны являются фермионами с полуцелым спином.

Согласно классической электродинамике при вращении частицы с зарядом ze и массой m и обладающей механическим моментом ћ , возникает магнитный момент, пропорциональный механическому моменту

Таким образом, аналогом классического момента является магнитный момент орбитального движения

где eћ/2mc − магнетон.

Масса и энергия связи атомных ядер.

Масса ядраизмеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода ¹² С: 1а.е.м = 1.6606 10^-27 кг. А.е.м. выражается через энергетические единицы: 1а.е.м = 1.510^-3 эрг = 1.510^-10Дж = 931.49 МэВ. Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Энергия связи ядраE_св(A,Z) это минимальная энергия, необходимая, чтобы развалить ядро на отдельные, составляющие его нуклоны.

Е_св(A, Z) = [Zm_p + (A - Z)m_n - M(A, Z)]c², где Z - число протонов, ( A - Z) - число нейтронов, m_p - масса протона, m_n - масса нейтрона, М(A,Z) - масса ядра с массовым числом А и зарядом Z.
Энергия связи ядра, выраженная через массу атома M_ат, имеет вид:

Е_св(A, Z) = [Zm_H + (A - Z)m_n - M_ат(A, Z)]c² , где m_H - масса атома водорода.

Энергетическое распределение электронов при бета-распаде.

Энергия, выделяющаяся при бета-распаде, распределяется между электроном, нейтрино и конечным ядром; подавляющая часть приходится на долю лёгких частиц. Поэтому спектр испускаемых β‑частиц непрерывен, их кинетич. энергия принимает значения от 0 до нек-рой граничной энергии , определяемой соотношением

где M - массы начального и конечного ядер.

Эффект Мессбауэра.

Эффект Мёссбауэра или ядерный гамма-резонанс, состоит в резонансном испускании или поглощении гамма-фотонов без изменения фононного спектра излучателя или поглотителя излучения соответственно. Иными словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи. Имеет существенно квантовую природу и наблюдается при изучении кристаллических, аморфных и порошковых образцов, содержащих один из 87 изотопов 46 элементов.

Природа эффекта

При испускании или поглощении гамма-кванта, согласно закону сохранения импульса, свободное ядро массы M получает импульс отдачи p = E₀/c и соответствующую этому импульсу энергию отдачи R = p²/(2M). На эту же величину оказывается меньше по сравнению с разностью энергий между ядерными уровнями E₀ энергия испущенного гамма-кванта, а резонансное поглощение наблюдается для фотонов с энергией, равной E₀ + R. В итоге, для одинаковых ядер линии испускания и поглощения разнесены на величину 2R и условие резонанса может быть выполнено только в случае совмещения этих линий, либо их частичного перекрытия. В газахэнергию отдачи получает одно излучающее ядро массы M, тогда как в твёрдых телах помимо процессов, когда за счёт энергии отдачи возбуждаются фононы, при определённых условиях смещение только одного атома или небольшой группы атомов становится невозможным, и отдачу может испытать лишь весь кристалл целиком. Масса кристалла на много порядков больше массы ядра, а значит и величина R становится пренебрежимо малой. В процессах испускания и поглощения гамма-квантов без отдачи энергии фотонов равны с точностью до естественной ширины спектральной линии.

Выделение и поглощение энергии в ядерных взаимодействиях. Примеры.

Ядер­ны­ми ре­ак­ци­я­ми на­зы­ва­ют пре­вра­ще­ние одних ядер в дру­гие при вза­и­мо­дей­ствии с ка­ки­ми-то ча­сти­ца­ми.

В на­ча­ле раз­ви­тия ядер­ной фи­зи­ки учё­ные рас­по­ла­га­ли лишь одним «ору­ди­ем» для «раз­би­тия» ядра – это аль­фа-ча­сти­цы, ко­то­рые при ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де из­лу­ча­ли ра­дио­ак­тив­ные пре­па­ра­ты.

Пер­вая ядер­ная ре­ак­ция была осу­ществ­ле­на Ре­зер­фор­дом. Он бом­бар­ди­ро­вал атомы азота α-ча­сти­ца­ми, в ре­зуль­та­те по­лу­чал­ся кис­ло­род и вы­ле­тал про­тон.

Джеймс Че­двик при бом­бар­ди­ров­ке α-ча­сти­ца­ми бе­рил­лия об­на­ру­жил, что из ядра бе­рил­лия вы­ле­та­ет ней­трон и по­лу­ча­ет­ся ядро уг­ле­ро­да.

Од­на­ко α-ча­сти­цы не все­гда спо­соб­ны раз­бить ядро, так как они также об­ла­да­ют по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом и, при опре­де­лён­ных усло­ви­ях, элек­три­че­ское от­тал­ки­ва­ние со сто­ро­ны ядра на­столь­ко боль­шое, что α-ча­сти­ца не смо­жет с ним столк­нуть­ся.

Впер­вые уско­рен­ный про­тон ис­поль­зо­ва­ли для вза­и­мо­дей­ствия с ядром лития , при этом ядро раз­би­ва­лось на две α-ча­сти­цы (два ядра гелия).

Дан­ная ре­ак­ция имела боль­шой энер­ге­ти­че­ский выход, около . Ещё боль­ше энер­гии вы­де­ли­лось при ре­ак­ции, в ко­то­рой разо­гнан­ный уско­ри­те­лем дей­трон попал в ядро лития и также раз­бил его на два ядра гелия.

Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ядер­ных ре­ак­ций яв­ля­ет­ся вы­пол­не­ние за­ко­нов со­хра­не­ния. То есть сумма за­ря­до­вых чисел до ре­ак­ции долж­на быть равна сумме за­ря­до­вых чисел после ре­ак­ции. Также вы­пол­ня­ет­ся закон со­хра­не­ния мас­со­во­го числа. Од­на­ко масса ядер, ко­то­рые вошли в ре­ак­цию, не равны массе ядер, ко­то­рые вышли из ре­ак­ции.

Нейтронный реакции с вылетом заряженных частиц. Примеры.

Нейтронные реакции с вылетом заряженных частиц.К таким реакциям относятся, в основном, реакции (n,p) и (n,α). Их практическое значение состоит в том, что с их помощью можно регистрировать нейтроны. Благодаря большой проникающей способности нейтроны свободно проходят через обычные детекторы излучения, не оставляя в них никаких следов. Поэтому большинство детекторов, о которых говорилось выше, для регистрации нейтронов не пригодны. Если же в детекторе находится вещество, на ядрах которого могут идти реакции (n,p) и (n,α), то возникающие при этих раекциях быстрые протоны или альфа-частицы могут создавать ионизацию вещества, и тем самым приводить к появлению сигналов, которые могут быть зарегистрированы электронными приборами.

Наибольшее распространение получили три ядерные реакции, основные параметры которых приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Основные параметры некоторых ядерных реакций типов (n,p) и (n,α).

Ядерная реакция	Энергия реакции (МэВ)	Эффективное сечение для тепловых нейтронов (барн)	Процентное содержание изотопа в естественной смеси (в %)
3He(n,p)3H	0,764		1,3·10-4
6Li(n,α)3Н	4,786		7,52
10B(n,α) 7Li	2,790		19,8

Гелием-3 наполняют пропорциональные счетчики или ионизационные камеры. Бор тоже можно использовать для наполнения счетчиков газообразным соединением BF₃ или использовать его в виде твердого покрытия, наносимого на внутреннюю поверхность стенок счетчиков. Для лития подходящее газообразное соединение не существует, поэтому его применяют в виде твердых покрытий или в виде тонких пластинок (радиаторов), помещаемых между двумя полупроводниковыми детекторами, которые и регистрируют вылетающие из радиатора альфа-частицы и ядра трития. Литий можно использовать также в виде кристаллов LiI в сцинтилляционных детекторах.

Методы получения нейтронов.

Термоядерные реакции.

Термоядерная реа́кция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения.

Происхождение термина

Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Термоядерная реакция – это ядерная реакция между легкими атомными ядрами, протекающая при очень высокой температуре (выше 108 К). При этом образуется большое количество энергии в виде нейтронов с высоким энергетическим показателем и фотонов – частиц света. Высокие температуры, а следовательно, и большие энергии ядер, которые сталкиваются, необходимы для преодоления электростатического барьера. Этот барьер обусловлен взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Иначе они не смогли бы сблизиться на расстояние, достаточное для действия ядерных сил (а это примерно 10-12 см). Термоядерная реакция представляет собой процесс образования ядер, которые сильно связаны между собой, из более рыхлых. Почти все подобные реакции относятся к реакциям слияния (синтеза) более легких ядер в тяжелые. Кинетическая энергия, необходимая для преодоления взаимного отталкивания, должна увеличиваться по мере увеличения заряда ядра. Поэтому легче всего проходит синтез легких ядер, обладающих малым электрическим зарядом. В природе термоядерная реакция может протекать лишь в недрах звезд. Для ее осуществления в земных условиях необходимо разогреть вещество одним из возможных способов: ядерным взрывом; бомбардировкой интенсивным пучком частиц; мощным импульсом лазерного излучения или газовым разрядом. Термоядерная реакция, которая идет в недрах звезд, играет архиважную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, из водорода в звездах образуются ядра будущих химических элементов, а во-вторых, это энергетический источник звезд.

Состав, размеры и форма атомных ядер.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд.

Всостав атомного ядравходят элементарные частицы: протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро).

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2). Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10^–15 м (размер атома равен 10^–10 м).