Радиоактивность. Ядерные силы. Энергия связи.

Ядерные частицы - протоны и нейтроны - прочно удерживаются внутри ядра, поэтому между ними действуют очень большие силы притяжения, спо­собные противостоять огромным силам отталкивания между одноименно за­ряженными протонами. Эти особые силы, возникающие на малых расстояниях между нуклонам, называются ядерными силами. Ядерные силы не являются электростатическими (кулоновскими).

Изучение ядра показало, что действующие между нуклонами ядерные силы обладают следующими особенностями:

а) это силы короткодействующие - проявляющееся на расстояниях порядка 10^-15 м и резко убывающие даже при незначительном увеличения рас­стояния;

б) ядерные силы не зависят от того, имеет ли частица (нуклон) заряд - за­рядовая независимость ядерных сил. Ядерные силы, действующие между нейтроном и протоном, между двумя нейтронами, между двумя протонами равны. Протон и нейтрон по отношению к ядерным силам одинаковы.

Энергия связи является мерой устойчивости атомного ядра. Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить для расщепления ядра на со­ставляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии

М_Я < Σ(m_p + m_n)

Мя - масса ядра

Измерение масс ядер показывает, что масса покой ядра меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов.

Величина

служит мерой энергия связи и называется дефектом массы.

Уравнение Эйнштейна в специальной теории относительности связывает энергию и массу покоя частицы.

В общем случае энергия связи ядра может быть подсчитана по формуле

где Z - зарядовое число (число протонов в ядре);

А - массовое число (общее число нуклонов в ядре);

m_p,, m_n и М_я - масса протона, нейтрона а ядра

Дефект массы (Δm) равны.й 1 а.е. м. (а.е.м. - атомная единица массы) со­ответствует энергий связи (Е_св), равной 1 а.е.э. (а.е.э. - атомная единица энер­гии) и равной 1а.е.м.·с² = 931 МэВ.

Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существую­щих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных ре­акций.

Типы радиоактивности:

1. α-распад.

Испускание ядрами некоторых химических элементов α-системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино (а-частица - ядро атома ге­лия )

α-распад присущ тяжелым ядрам с А > 200 и Z > 82. При движении в веще­стве α-частицы производят на своем пути сильную ионизацию атомов (иони­зация - отрыв электронов от атома), действуя на них своим электрическим полем. Расстояние, на которое пролетает α-частица в веществе до полной её остановки, называется пробегом частицы или проникающей способностью (обозначается R, [R] = м, см). . При нормальных условиях α- частица образует в воздухе 30000 пар ионов на 1 см пути. Удельной ионизаци­ей называется число пар ионов образующихся на 1 см длины пробега. α- частица оказывает сильное биологическое действие.

Правило смещения для α-распада:

2. β-распад.

а) электронный (β^-): ядро испускает электрон и электронное антинейтрино

б) позитронный (β⁺):ядро испускает позитрон и нейтрино

Эта процессы происходят, путем превращения одного вида нуклона в яд­ре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон.

Электронов в ядре нет, они образуются в результате взаимного превра­щения нуклонов.

Позитрон - частица, отличающаяся от электрона только знаком за­ряда (+е = 1,6·10^-19 Кл)

Из эксперимента следует, что при β - распаде изотопы теряют одинаковое количество энергии. Следовательно, на основании закона сохранения энергии В. Паули предсказал, что выбрасывается еще одна легкая частица, названная антинейтрино. Антинейтрино не имеет заряда и массы. Потери энергии β - частицами при прохождении их через вещество вызываются, главным обра­зом, процессами ионизации. Часть энергии теряется на рентгеновское излуче­ние при торможении β - частицы ядрами поглощающего вещества. Так как β - частицы обладают малой массой, единичным зарядом и очень большими скоростями, то их ионизирующая способность невелика, (в 100 раз меньше, чем у α - частиц), следовательно, проникающая способность (пробег) у β - частиц суще­ственно больше, чем у α - частиц.

R_{β воздуха} =200 м , R_{β Pb} ≈ 3 мм

β^- - распад происходит у естественных и искусственных радиоактивных ядер. β⁺ - только при искусственной радиоактивности.

Правило смещения для β^- - распада:

в) К - захват (электронный захват) - ядро поглощает один из электронов, находящихся на оболочке К ( реже L или М ) своего атома, в результате чего один из протонов превращается а нейтрон, испуская при этом нейтрино

Схема К - захвата:

Место е электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.

• γ-лучи.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием γ- лучей. γ-лучи - это электромагнитное излучение, обладающее длинами волн от одного до сотых долей ангстрем λ’=~ 1-0,01 Å=10^-10-10^-12 м. Энергия γ-лучей достигает миллионов эВ.

W^γ ~ MэB

1эВ=1,6·10^-19 Дж

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, как правило, оказывается возбужденным, н его переход в основное состояние сопровождается испуска­нием γ – фотона. При этом энергия γ-фотона определяется условием

где Е₂ и E₁ -энергия ядра.

Е₂- энергия в возбужденном состоянии;

Е₁ - энергия в основном состоянии.

Поглощение γ-лучей веществом обусловлено тремя основными процессами:

• фотоэффектом (при hv < l MэB);
• образованием пар электрон – позитрон;

или

• рассеяние (эффект Комптона) -

Поглощение γ-лучей происходит по закону Бугера:

где μ- линейный коэффициент ослабления, зависящий от энергий γ - лучей и свойств среды;

І₀- интенсивность падающего параллельного пучка;

I - интенсивность пучка после прохождения вещества толщиной х см.

γ-лучи - одно из наиболее проникающих излучений. Для наиболее жест­ких лучей (hν_max) толщина слоя половинного поглощения равна в свинце 1,6 см, в железе - 2,4 см, в алюминии - 12 см, в земле - 15 см.