Физика ядра

Атомные ядра.В начале ХХ века после открытия структуры атома для физиков представляла интерес проблема: обладает ли атомное ядро структурой, и какой эта структура могла бы быть? Экспериментальные исследования показали, что ядро обладает свойством испускать α-, β и γ-лучи42.

К тому же под действием этих лучей на ядра из них вылетали и другие частицы, т.е. происходили ядерные реакции. Позднее был открыт нейтрон, который, как и протон, находится внутри ядра в виде частицы. Между ними существует сильное взаимодействие, которое примерно на два порядка интенсивнее электромагнитного.

В отличие от электромагнитного взаимодействия сильные взаимодействия не являются центральными, а имеют сложный характер. Их взаимодействие можно интерпретировать как притяжение двух частиц не по прямой линии, соединяющей центры этих частиц. К тому же они зависят и от квантовых характеристик ядер.

Оказалось, что ядро устроено довольно сложно, и в его структуре остается много неясного по настоящее время. Тем не менее в начале 1930-х гг. была предложена модель атомного ядра, которая по-прежнему остается общепризнанной.

Согласно этой модели, атомное ядро состоит из двух элементарных частиц – протонов и нейтронов43.

42 Исторически развитию ядерной физики предшествовало большое количество исследований в области физики атома. До открытия ядра исследования вещества привело к открытию проникающих излучений: Ю. Плюккером в 1859 г. были открыты катодные лучи, В. Рентгеном в 1895 г. – рентгеновские лучи, в 1896 г. А. Беккерель открыл радиоактивность, а в 1897 г. Д.Д. Томсоном был открыт электрон.

43 Протон-нейтронная модель атомного ядра предложена в 1932 г. советским физиком, профессором физического факультета МГУ

Протон представляет собой ядро простейшего атома –

водорода. Он имеет положительный заряд

е+ = +1.6 · 10–19Кл

и массу

mp= (1.672623 ± 0.000008) · 10–27кг = 1.007276470 а.е.м. (4.3.1)

Нейтрон, существование которого было установлено Джеймсом Чедвиком в 1932 г., электрически нейтрален, на что и указывает его название. Масса нейтрона оказалась несколько больше массы протона:

mp= (1.674929 ± 0.000009) · 10–27кг = 1.008664904 а.е.м. (4.3.2)

В свободном состоянии (т.е. вне ядра) нейтрон живет около

10 мин, а затем распадается. Внутри ядра нейтрон стабилен. Каждое ядро атома характеризуется двумя числами: за-

рядом Z и массовым числом А. Заряд ядра Z равен числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе. Массовое число A равно числу нуклонов в ядре, т.е. сумме числа протонов и нейтронов. N = A–Z – число нейтронов, находящихся в ядре.

Z

Обычно атомное ядро обозначают символом AX, где Х –

символ химического элемента, А – массовое число, Z – атомный номер.

Энергия связи ядра.Известно, что для испарения одной молекулы необходима энергия порядка 0.1 эВ, а для разделения молекулы водорода на атомы – 4.5 эВ. Для ионизации атома водорода потребуется энергия 13.6 эВ.

Рис. 4.10. К объяснению энергии связи нуклонов в ядре

Д.Д. Иваненко. Несколько позже такую же работу опубликовал В. Гейзенберг.

Чтобы отделить нуклон от ядра, необходимо затратить существенно бóльшие энергии. Так, например, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Если мысленно на одну чашу весов положить ядро гелия, а на другую

– два протона и два нейтрона, мы увидим, что четыре отдельных нуклона весят больше, чем само ядро гелия (рис. 4.10). Таким образом, общая масса легких ядер всегда меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов. Это привело к предположению, что часть массы притягивающихся друг к другу нуклонов выделяется в виде энергии фотонов или других частиц.

Для ядер урана все наоборот. Исходное ядро оказывается тяжелее, чем два осколка. Поэтому оно по закону сохранения энергии может распадаться на другие частицы самопроизвольно. Тяжелые ядра обычно делятся на два осколка. Поэтому в легких ядрах энергия выделяется при их слиянии, а в тяжелых – при их делении. Разность масс (или энергий) между ядром и составляющим его нуклонами называют полной энергией связи ядра.

Без существования сил притяжения, более интенсивных, чем электромагнитное взаимодействие, протоны самопроизвольно не могли бы образовать ядро, так как между ними существует отталкивание. Стабильные ядра существуют благодаря действию сил более интенсивных, чем кулоновские. Эти силы получили название сильного или ядерного взаимодействия. Сильное (ядерное) взаимодействие – это притяжение, действующее между всеми нуклонами в равной сте-

пени. Радиус его действия составляет

10-13 см. Интенсив-

ность сильных взаимодействий внутри ядра постоянна и быстро спадает на его границе.

Протоны, благодаря ядерным силам, притягивают друг друга и в то же время, благодаря кулоновскому взаимодействию, отталкивают друг друга. Нейтроны же не имеют электрического заряда и поэтому лишь притягивают другие нейтроны или протоны.

Радиоактивность.В 1896 году А. Беккерель44открыл, что соли урана испускают невидимые лучи. Резерфорд установил, что эти лучи состоят как минимум из двух компонент, имеющих разную проникающую способность, а французский физик П. Вилар в 1900 г. установил, что существует и третья компонента, наиболее глубоко проникающая в вещество. Таким образом, оказалось, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, которые Резерфорд назвал α-, βи γлучами.

Хорошо известная иллюстрация (рис. 4.11) появилась впервые в 1903 г. в докторской диссертации Марии Кюри45. Излучение одного вида едва проникало сквозь лист бумаги. Излучение второго вида проходило сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм. Излучение третьего вида было

особенно проникающим: оно проходило сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров и могло быть обнаружено с помощью детектора. Оказалось, что это излучение представляет собой фотоны высокой энергии. В магнитном поле эти лучи также вели себя по-разному: αи β-лучи отклонялись в противоположные стороны, а γ-лучи в магнитном поле совсем не отклонялись.

Беккерель в 1900 году установил, что β-лучи состоят из таких же частиц – электронов, которые открыл Томсон. В 1903 г. Резерфордом было показано, что α-лучи – это ядра атомов гелия. При этом ядра, из которых вылетают αи β-

44 Антуан Анри Беккерель (1852–1908) – французский физик, из семьи физиков. За открытие явления естественной радиоактивности урана в 1903 г. был удостоен Нобелевской премии. Беккерель в 1901 г. обнаружил физиологическое действие радиоактивного излучения, а также его способность ионизировать газ.

45 Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) – известный физик и

химик польского происхождения. Дважды лауреат Нобелевской премии: по физике (1903) и химии (1911). Основала институты Кюри в Париже и в Варшаве. Вместе с мужем, Пьером Кюри занималась исследованием радиоактивности. Совместно они открыли элементы радий (от лат. radium – излучающий) и полоний. Умерла от лучевой болезни.

частицы, превращаются в другие химические элементы. Поэтому стало ясно, что лучи вылетают не из атома, а из ядра. Таким образом, ядро, как и атом, представляет собой сложную структуру. В природе встречается много нестабильных изотопов. Их радиоактивность называется естественной радиоактивностью. Другие нестабильные изотопы могут быть созданы в лабораторных условиях как продукты ядерных реакций. Такие изотопы называются искусственными, а их радиоактивность – искусственной радиоактивностью.

При g-распаде ядер не происходит превращения одного химического элемента в другой (в этом случае ядро может из возбужденного состояния переходить в основное состояние ядра). Такие ядра получили название радиоактивных ядер, которые обладают свойством радиоактивности.

Рис. 4.11. Поведение α-, β-, γ-лучей в магнитном поле

Альфа-распад –это самопроизвольное превращение ис-

Æ Æ–4

ходного ядра ZX в ядро Z–2X c испусканием α-частицы, т.е. массовое число уменьшается на 4, а атомный номер – на 2. Альфа-распад ядер обусловлен тем, что сильное взаимодействие не в состоянии обеспечить стабильность тяжелых ядер. Это характерно для ядер с зарядом Z > 83 и отдельных ядер при Z < 83. Сильные взаимодействия вследствие их короткодействия связывают только соседние нуклоны, в то время как кулоновское отталкивание действует в объеме всего ядра.

Нестабильность ядра характеризуется небольшой величиной энергией связи радиоактивного ядра. Распад ядер происходит, когда масса материнского ядра оказывается больше суммарной массы дочернего ядра и a-частицы. Для всех ви-

дов распадов этот факт, основанный на законе сохранения энергии, является основным условием радиоактивного распада. Разность масс выделяется в виде кинетической энергии, которую в основном уносит с собой a-частица. Приме-

ром α-распада служит распад ядра 226

Ra:

88Ra →

86Rn +

2He. (4.3.3)

Бета-распадядер обусловлен испусканием либо электронов, либо позитронов. При β–-распаде электроны возникают в результате превращения нейтрона в протон внутри ядра, при β+-распаде происходит испускание позитрона ядром. Необходимо подчеркнуть, что испускаемый при βаспаде электрон не имеет отношения к орбитальным электронам, поскольку он вылетает не с орбиты атома, а из ядра. Он, как и позитрон, рождается внутри ядра. Это происходит в процессе, когда один из нейтронов ядра превращается в

протон и при этом (для сохранения заряда) испускает электрон:

n → p + e–+ ν. (4.3.4)

Аналогично, внутри ядра протон превращается в нейтрон, испуская позитрон:

p® n+ e+ +n˜ . (4.3.5) При β-распаде появляется новая частица, получившая название нейтрино ν (в переводе с итальянского – «нейтрончик»). Она была открыта из анализа законов сохранения энергии и импульса. Оказалось, что эта частица очень слабо взаимодействует с веществом. Она проходит сквозь Землю и при этом может ни разу не провзаимодействовать с ней. Частица была предсказана В. Паули в 1930 г., а открыта экспериментально в 1957 г.

Позднее оказалось, что существует и ее античастица – антинейтрино v˜. β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале.

Гамма-распад.Гамма-излучение представляет собой фотоны высокой энергии от сотен кэВ и выше. Распад ядра с испусканием γ-излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. Так же как атом, ядро может находиться в возбужденном состоянии. При переходе

в состояние с более низкой энергией ядро испускает фотон, энергия которого варьируется от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Так как g-излучение не несет заряда, при g-распаде не происходит превращения одного химического элемента в другой.

Иногда ядро в течение некоторого промежутка времени остается в возбужденном состоянии, прежде чем испускает γквант. Такое состояние ядра называют метастабильным, а само ядро – изомером. Возбужденное ядро может также распадаться с испусканием протонов, нейтронов, α-частиц.

Закон радиоактивного распада ядер.Кусок любого радиоактивного изотопа содержит огромное количество радиоактивных ядер. На протяжении некоторого времени часть ядер распадается. Время распада разных изотопов изменяется в очень широких пределах от микросекунд до тысячелетий. Известно более 3000 видов радиоактивных ядер. Из экспериментальных исследований процесса распада стало ясно, что существует закон, по которому происходит изменение числа ядер в образце. Закон радиоактивного распада ядер в образце определяется на основе предположения, что число распадов ∆N, происходящих за очень короткий промежуток времени ∆t, пропорционально полному числу радиоактивных нераспавшихся ядер N(t) и рассматриваемому промежутку времени ∆t:

ΔN = –λNΔt. (4.3.6)

Коэффициент пропорциональности λ называется постоянной распада (она различна для разных изотопов). Знак «минус» указывает на то, что со временем число нераспавшихся ядер будет уменьшаться.

В начальный момент времени t = 0 число ядер было равно N0. Соотношение (4.3.6) называется законом радиоактивного распада ядер. Оно показывает, что число радиоактивных ядер, в рассматриваемом радиоактивном образце экспоненциально убывает со временем (рис. 4.12).

Для определения скорости распада радиоактивных ядер используют понятие периода полураспада. Периодом полураспада T1/2 изотопа называется промежуток времени, за ко-

торый распадается половина исходного количества радиоактивных ядер изотопа в данном образце. Формула для вычисления периода полураспада выглядит следующим образом:

Период полураспада

4.5 млрд лет.

радия составляет ~1600 лет,

(4.3.7)

урана –

Рис. 4.12. График закона радиоактивного распада

для изотопа углерода , его период полураспада ~ 5730 лет

Важной характеристикой радиоактивного источника является его активность. Активность радиоактивного вещества

показывает, сколько

в нем происходит распадов в

единицу

времени. Отношение

количества имеющихся в момент вре-

мени t радиоактивных ядер N к их периоду полураспада называют активностью:

А = N

Т1/ 2

Единицей активности в системе единиц СИ является беккерель (Бк), представляющий собой 1 распад за 1 с.

Закон

радиоактивного распада был

успешно применен

для радиоактивного

датирования. Этот

метод позволил по

останкам людей и животных определять их возраст. Суть ме-

тода заключается в том, что изотоп углерода 14 C

в живые

организмы попадает из окружающей природы при употреб-

лении пищи, воды и

воздуха.

Его концентрация в

воздухе,

где он образуется под действием космических лучей на атмосферный азот, а следовательно, в растениях и живых организмах, потребляющих воздух, одинаковая. После смерти поступления радиоактивного углерода из воздуха в организм прекращается. Концентрация изотопа 14 C уменьшается экс-

поненциально вследствие его радиоактивного распада. Зная концентрацию ядер радиоактивного углерода в природе N0и в образце N, а также период полураспада, используя уравнение (4.3.6) можно определить, когда в организм перестал поступать изотоп углерода, т.е. количество лет, когда произошла смерть.

За метод радиоуглеродного датирования американский физик Ф. Лобби получил Нобелевскую премию в 1960 г. Фактически этот метод стал одном из наиболее надежных способов заглянуть в прошлое.