Строение и свойства атомного ядра

Ядерная физика, занимающаяся изучением свойств и строения атомных ядер, является в настоящее время передним краем физической науки. Несмотря на то что данный раздел физики нельзя считать завершенным и в нем остается много нерешенных проблем, достижения в этой области огромны и используются в медицине, биологии, энергетике и т.д.

В предыдущем параграфе ядро рассматривается в целом – как массивная положительно заряженная центральная часть атома, обладающая исключительно малыми размерами (~10~¹³ см). Однако установлено, что ядро является сложным образованием. Оно состоит из частиц двух сортов: протонов (р) и нейтронов (n), называемых вместе нуклонами. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса т_р покоящегося протона в 1836раз превышает массу т_е покоя электрона. Масса нейтрона лишь на Зт_е превышает т_p (т_п ~ 1839 т_е), при этом нейтроны не имеют электрического заряда. Обычно массу ядра измеряют в атомных единицах массы (а. е. м.). За 1 а. е. м. принята 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12: 1 а.е.м. = (1,66043 ± 0,00031) 10^–27 кг. Заряд ядра, а следовательно и порядковый номер элемента в периодической таблице определяется числом протонов (Z), входящих в состав ядра, потому Z называется зарядовым числом. Ядра всех атомов заряжены положительно. Z может быть найден по порядковому номеру соответствующего элемента в таблице Менделеева. Полное число нуклонов в ядре А = N + Z (где N – число нейтронов) называется массовым числом. А – это целое число, ближайшее к атомной массе атома.

Для обозначения ядер используется символическая запись: . X – химический символ данного элемента. Нижний индекс у элемента означает порядковый номер Z, верхний – массовое число А. Некоторые элементы имеют несколько разновидностей, которые отличаются массовым числом, а Z для них постоянно, они называются изотопы. Например, известны четыре изотопа водорода: ₁Н¹ – протий, ₁Н² – дейтерий, ₁Н³ – тритий, ₁Н⁴ – четырехнуклонный водород. Самый тяжелый из естественных элементов – уран – имеет три изотопа: ₉₂U²³³, ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁸.

Ядро представляет собой прочно связанную систему нуклонов, между которыми действуют ядерные силы. Они имеют весьма короткий радиус действия – порядка 10^–15 м и не зависят от заряда нуклона. Масса ядра меньше суммарной массы всех нуклонов, из которых это ядро состоит. Анализируя известное из теории относительности соотношение, связывающее энергию Е и массу т: Е = тс², можно заключить, что и энергия ядра меньше суммарной энергии нуклонов, из которых оно состоит.

Энергию, которую необходимо затратить для того, чтобы расчленить ядро на отдельные составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии, называют энергией связи. В общем случае энергию связи можно выразить так: . Если учесть, что , то это выражение примет вид

В таблицах обычно приводятся не массы m_я ядер, а массы атомов m. Поэтому для энергии связи ядра пользуются формулой

где m_Н – масса атома водорода.

Величина : называется дефектом масс ядра. Она представляет собой разницу между суммарной массой нуклонов и массой ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.

Радиоактивность ядер.

Каждый химический элемент имеет несколько изотопов, но не все они устойчивы. Некоторые изотопы нестабильны и самопроизвольно превращаются в изотопы других элементов с испусканием элементарных частиц и легких ядер. Это явление называется радиоактивностью. Радиоактивный распад был открыт в 1896 г. А.Беккерелем. Большой вклад в решение проблемы радиоактивности внесли Э.Резерфолрд, супруги П. Кюри и М.Склодовская-Кюри.

Радиоактивность обусловлена тем, что ядерные силы обладают очень коротким радиусом действия. Они связывают друг с другом только ближайшие нуклоны, поэтому с ростом числа нуклонов их связь ослабевает и ядра становятся радиоактивными. Анализируя таблицу элементов, можно видеть, что в легких устойчивых ядрах число протонов и нейтронов практически одинаково, тогда как стабильные изотопы тяжелых элементов содержат большее число нейтронов. Самым тяжелым из стабильных элементов является свинец.

При своем распаде ядра могут испускать радиоактивное излучение трех типов. В соответствии с этим рассматривают распад.

При a-распадеядро испускает a-частицу, которая представляет собой ядро изотопа гелия . a-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Скорость a-частиц м/с. Если символом обозначить материнское ядро, то превращение ядра при a-распаде происходит по схеме:

где – символ дочернего ядра. a-распад уменьшает массовое число на 4, а заряд ядра – на 2 элементарных положительных заряда, то есть происходит перемещение химического элемента на две клетки влево в периодической системе элементов Менделеева. Например, .

b-Распадсопровождается испусканием электронов (b-лучи), которые при этом имеют огромные скорости, близкие к скорости света.
b-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у a-частиц. b-Излучение сильно рассеивается в веществе. Массовое число при b-распаде не изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу: .

Следовательно, новый химический элемент перемещается на одну клеточку вправо в периодической системе Менделеева.

g-Распадсопровождаетсякоротковолновым электромагнитным излучение с чрезвычайно малой длиной волны l<10^-10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами. т.е. g-излучение является потоком частиц – g-квантов (фотонов). g-Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию.

Установлено, что все существующие в природе радиоактивные элементы являются продуктами распада четырех исходн6ых элементов: . Процессы их радиоактивного распада заканчиваются соответственно образованием . Помимо естественных радиоактивных элементов, принадлежащих тому или иному радиоактивному ряду, можно искусственным путем получить радиоактивные изотопы стабильных элементов. Например, при облучении a-частицами получается радиоактивный фосфор ( ), аналогично из можно получить радиоактивный кремний.

Распад естественных и искусственных радиоактивных элементов осуществляется по одному закону. Опыт показывает, что количество радиоактивных атомов N(t) убывает со временем по экспоненциальному закону:

где l–постоянная радиоактивного распада, характерная для каждого вещества. Она численно равна обратной величине времени, за которое число радиоактивных атомов уменьшается в е раз. На практике чаще пользуются не постоянной распада, а период полураспада Т, т.е. временем, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Значения Т для различных изотопов лежат в очень широких пределах: от 10^-16с до миллиардов лет. На законе радиоактивного распада основан способ определения возраста земных пород, остатков растений, организмов и т.п.

Ядерные реакции.

Ядерными реакцияминазывается искусственное превращение атомных ядер при их взаимодействии как друг с другом, так и с ядерными частицами, в результате чего образуются новые ядра и новые частицы. Символически ядерную реакцию можно записать:

где Х и У – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота a-частицами:

Другой пример ядерных реакций – реакция получения нейтронов:

Наиболее распространенными ядерными реакциями являются реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. О.Ганом и Ф.Штрассманом и сразу же объяснена О.Фришем и Л.Мейтнер. Было установлено, что при облучении ядер урана нейтронами образуются элементы из середины периодической таблицы (чаще всего Ва и Kr), а также два или три нейтрона на каждое распавшееся ядро. Реакцию деления ядра можно записать, например, так:

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии: на кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят g-кванты. Выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. В среднем на один акт деления приходится 2,5 нейтронов.

Практический интерес представляет случай самоподдерживающейся реакции деления. Такая реакция возможна, поскольку каждый нейтрон, выделившийся при делении одного ядра урана в принципе может вызвать деление другого ядра. Число актов деления возрастает лавинообразно – возникает цепная реакция. Схематически этот процесс представлен на рис. 28.1. Цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой. Неуправляемая реакция осуществляется при взрыве атомной бомбы. Поскольку многие нейтроны покидают делящееся вещество прежде, чем встретятся с ядрами урана, для получения атомного взрыва нужно иметь достаточно большое количество делящегося вещества (достичь критической массы) с тем, чтобы максимально возможное число нейтронов провзаимодействовало с ядрами. Цепную реакцию можно сделать управляемой, если на пути нейтронов поместить поглотитель (кадмий или бор). Погружая или вынимая из делящегося вещества поглотитель, можно регулировать размножение нейтронов и тем самым управлять скоростью цепной реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах, являющихся основной частью энергетических атомных установок (атомных электростанций, двигателей атомных подводных лодок и др.).

Наиболее благоприятно деление ядер происходит под действием медленных нейтронов. Природный уран состоит в основном из и содержит лишь 0,7% изотопа . В уране-238 медленные нейтроны не вызывают цепной реакции, а приводят к следующим превращениям:

;

Конечный продукт этих превращений — изотоп плутония ₉₂Ри²³⁹ имеет период полураспада 24100 лет, т. е. достаточно стабилен. Облучение , как и , медленными нейтронами вызывает цепную реакцию, т. е. плутоний также является хорошим ядерным топливом. В большинстве ядерных реакторов используется природный U²³⁸, обогащенный до 5% U²³⁵, поэтому каждый такой реактор является попутно накопителем Рu²³⁹.

Впервые ядерные реакции для получения промышленной электроэнергии были использованы в СССР. Огромная роль в развитии ядерной энергетики принадлежит нашему замечательному физику И.В. Курчатову.

Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температурах К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития – по схеме требуется нагревание примерно до К.

Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.