История становления ядерной физики
Основные этапы развития ядерной физики. Ядерная физика изучает структуру атомных ядер, свойства ядерник сил, законы изменения и превращения ядер при распаде и ядерных реакциях,
Взаимодействие ядерного излучения с веществом и элементарные частицы.
1896 г. - французский ученый Беккерель открыл, что соединения урана, независимо от их химического строения, самопроизвольно испускают лучи высокой проникающей способности.
Тот же эффект наблюдался у открытого вскоре супругами Кюри элемента — радия.
Исследуя характер отклонения этих лучей в магнитном поле, Резерфорд показал, что они состоят из трех различных компонент: α-лучей — потока положительно заряженных частиц; β-лучей— потока частиц, заряженных отрицательно, и γ-лучей, не отклоняющихся в магнитном поле. Далее выяснилось, что α-лучи состоят из частиц, несущих двойной элементарный заряд и обладающих массой, приближенно равной массе атома гелия, β-лучи являются потоком быстродвижущихся электронов, а γ-лучи ведут себя, как рентгеновские лучи большей жестокости.
1911 г. - Резерфорд предложил ядерную модель атома. По этой ядерной модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и в тысячи раз более легкой оболочки, образованной электронами. Электроны вращаются вокруг ядра и удерживаются вблизи него электрическими силами на расстояниях, которыми и определяется размер всего атома. Так как атомы электрически нейтральны, то атомный номер Z, определяющий заряд ядра и химические свойства элементов, равен числу электронов внешней оболочки.
1913 г. Н. Бором была предложена модель атома. Переход электрона с одной стационарной орбиты на другую должен сопровождаться поглощением или испусканием порции электромагнитной энергии в виде кванта света частоты и энергии. Hv=En-Em.
1926 г. - Гейзенбергом и Шредннгером создана последовательная теория — квантовая механика.
Не существует таких состояний частицы, в которых она обладала бы одновременно точно определенным положением и скоростью.
В 1919 г. Резерфорд наблюдал расщепление ядер различных веществ при бомбардировке их α-частицами.
В 1930 г. Боте и Беккер, подвергая бериллий воздействию
Α-частиц, излучаемых полонием, наблюдали излучение с большой
Проникающей способностью - γ-лучи.
Только в 1932 г. Чадвик доказал существование электрически нейтральной частицы с массой, почти такой же, как у протона – нейтрон.
2. Основные характеристики ядер.
Все атомы состоят из ядер и электронов в свою очередь все ядра имеют более сложный состав и по размерам не превышают r – 10-15. Ядра всех химических элементов состоят из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Все частицы ядер принято называть нуклонами. В ядрах могут присутствовать только протоны. Примером является водород.
Количество протонов в ядрах определяет электрический заряд ядра, количество электронов в атоме, его порядковый номер в системе. Совокупность протонов и нейтронов определяет его массу. Разное количество нейтронов в ядре одного и того же элемента определяет изотопный состав данного элемента, а ядра с одинаковым количеством протонов, но разным нейтронов называются изотопами.
Если заряд ядра Z, а массовое число A, то это означает, что в состав ядра входит Z протонов и (A—Z) нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через N=A-Z.) X —
3. Изотопы, изобары, изотоны. Зеркальные.
Число протонов в ядре (зарядовое число) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма А = Z + N называется массовым числом ядра, а число Z называют также порядковым номером элемента. Атомы с одинаковыми Z (т. Е. Атомы одного и того же элемента), но различными N называются изотопами, с одинаковыми А, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными
Z — изотопами.
Зеркальными называются два ядра с одинаковыми массовыми числами А каждое из которых получается из другого заменой всех протонов нейтронами, а всех нейтронов — протонами. Примером такой пары могут служить сами протон и нейтрон. Другими примерами являются И , И И т.д. (более тяжелое ядро в каждой из этих пар радиоактивно).
…………………………………………….
4. Характеристики взаимодействий.
Четыре вида фунд. Взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и большинство элементарных частиц, так называемых адронов (протон, нейтрон, мезоны и др.). К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы (за исключением тяготения): упругие, вязкие, молекулярные, химические и пр. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептонов — элементарных частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях и обладающих спином 1/2 (электрон, нейтрино). Нейтральные лептоны (все нейтрино и антинейтрино) не участвуют и в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
5. Энергия связи ядра.
. Энергия связи ядра Есв (относительно всех нуклонов) есть мера его прочности, измеряемая минимальной работой, которую надо произвести, чтобы полностью расщепить ядро на составляющие его протоны и нейтроны.
Через величину Есв определится и энергия связи ядра по отношению к разделению его на любые две части, состоящие из протонов и нейтронов, т. Е. Минимальная работа, необходимая для разделения ядра на две части. Например, энергия связи протона в ядре, иначе называемая энергией отделения протона от ядра, есть минимальная работа, которую надо произвести, чтобы удалить протон из ядра.
В силу соотношения между массой и энергией энергия связи ядра может быть вычислена по формуле Eсв(Z,A)=zmp+nmn-M(Z,A)
Если массы выражены в энергетических единицах. Массу заряженной частицы можно измерить масс-спектрографическим методом, основанным на измерении отклонений
8. Сверхтонкая структура и магнитный момент.
Экспериментально установлено существование тонкой структуры атомных спектральных линий, которая возникает из-за взаимодействия магнитного поля, создаваемого орбитальным движением электронов, с магнитным моментом, обусловленным наличием спинов у электронов. Это взаимодействие различно при разных направлениях спина, благодаря чему происходит расщепление линии на две.
В свою очередь,линии тонкой структуры тоже расщепляются. Это явление получило название сверхтонкой структуры атомных спектров. Объясняется такое расщепление взаимодействием магнитного момента атомного ядра с магнитным полем, создаваемым электронами атомной оболочки. При разных ориентациях спина ядра оно будет различно.
У системы частиц с зарядами ea могут быть электрические моменты всех порядков, начиная с нулевого.
……………………………………….
10. Метод магнитного резонанса.
Резонансный метод, развитый Раби, дает возможность наблюдать изменение ориентации магнитных моментов атомов, молекул и ядер в постоянном магнитном поле при наличии осциллирующего или вращающегося магнитного поля. При совпадении частоты осциллирующего поля с частотой, определяемой соотношением Бора 2πħv=ΔE=En-Em. (Еn и Еm — энергии двух состояний системы в магнитном поле), происходит резонансная переориентация, сопровождающаяся поглощением или вынужденным испусканием электромагнитной энергии. Правило отбора для таких переходов имеет вид Δm=0; ± 1.
Первоначально этот метод был использован для изучения молекул, в дальнейшем был проведен ряд экспериментов для исследования ядер, в которых резонанс обнаруживался по э. Д. С, наведенной в процессе переориентации магнитных моментов ядер.
12. Основной закон распада
Радиоактивный распад — явление статистическое. Нельзя сказать, какие атомы в радиоактивном образце распадутся за рассматриваемое время. Но можно практически с полной достоверностью предсказать, сколько атомов распадется за это время.
Вероятность распада ядра за единицу времени называется постоянной распада λ. Это значит, что из N имеющихся радиоактивных ядер за единицу времени в среднем распадается λn, а за время dt — λndt ядер. Величина λn называется активностью источника (радиоактивностью).
Единицей активности является 1 распад в секунду (беккерель (Бк)) и принята в СИ. В литературе употребляется также единица резерфорд: 1 Рд = 106 Бк.
Основной закон радиоактивного распада. Пусть N — число (очень большое) радиоактивных ядер в момент времени t, а N + dn — в более поздний момент t + dt. Величина dn отрицательна, поскольку ядра могут только
13. Альфа-распад.
Явление α-распада состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает α -частицу и превращается в другое ядро с массовым числом, на 4 единицы меньшим, и с атомным номером, меньшим на 2 единицы:
Моноэнергетичность и дискретность являются основными свойствами α -спектров. Особенностью α -распада является то, что период полураспада радиоактивных ядер меняется в очень широких пределах 3*10-7 сек<Т<5*1015 лет, в то время как энергии испускаемых α -частиц отличаются друг от друга не более чем в 2,5 раза.
Будем считать, что α -частица существует внутри ядра как целое образование и движется в потенциальном поле ядра, создаваемом нуклонами.
Участок CD определяется кулоновоким взаимодействием α -частицы с этим ядром. Крутой спад на участке С В вызывается
……………………………………………….
14. Бета-распад.
Бета-распадом называется процесс превращения нестабильного ядра в изобару-ядро с зарядом, отличным от исходного на ΔZ= ±1, сопровождаемый испусканием электрона (позитрона) или захватом электрона с оболочки атома. Одновременно ядро испускает нейтрино или антинейтрино. Периоды полураспада β-активных ядер лежат в пределах от 10-2 сек до 1018 лет. Если α-распад наблюдается почти исключительно у тяжелых ядер, то β-распад свойствен ядрам как с малыми, так и с большими значениями массового числа А.
Известны три вида β -распада.
А. Β--распад, при котором из ядра вылетает электрон и антинейтрино (v) и образуется ядро с тем же массовым числом, но с увеличенным на единицу атомным номером (ΔZ= +1):
Распад свободного нейтрона . За счет этого процесса и рождается электрон внутри ядра.
16. Опыты о существование нейтрино. Поскольку при электронном захвате из ядра вылетает только нейтрино, т. Е. Энергия распределяется между двумя частицами: нейтрино и ядром отдачи, возникающие нейтрино моноэнергетичны. Это обстоятельство и положено в основу опыта Аллена в 1942 г. Был использован электронный захват ядра :
Измерение энергии ядра отдачи и было проведено Алленом. Наносился методом испарения в виде тончайшего слоя на платиновую пластинку S.
В результате К-захвата атомы Превращаются в атомы , которые, получив импульс отдачи, вылетают уже в виде ионов с поверхности платиновой пластинки, и ускоряясь полем в 100—200 в между пластиной S и сеткой В попадают в пространство между двумя сетками В и С. К сетке С прикладывался переменный тормозящий потенциал, с помощью которого находилось распределение ионов по энергиям. (Меняя задерживающий потенциал, можно было пропускать сквозь сетку положительные ионы отдачи, которые способны преодолеть тормозящее поле). Подсчет ионов производился с помощью счетчика, включенного на выходе электронного умножителя А который усиливал ток в 18000 раз. Снималась зависимость числа ионов от значений тормозящего потенциала.
Непрерывный характер распределения энергии
…………………………………………………
17. Гамма-излучение ядер.
Γ-излучение ядер возникает при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. Γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновских лучей. При Е = 1 Мэв, λ=10-10 см.
Возбужденные ядра могут быть получены разными путями, в результате бомбардировки их заряженными или нейтральными частицами, в результате поглощения ядром фотона, либо, в результате α- или β-переходов, когда новое ядро образуется в возбужденном состоянии. Наблюдаемый спектр γ-лучей всегда дискретный, что говорит о дискретности ядерных уровней.
После α-распада обычно испускаются γ-лучи с энергией 0,5 Мэв. Β-распада (2-2,5) Мэв.
Ядро может освободиться от избытка энергии не только путем излучения. У тяжелых ядер наблюдается процесс испускания электронов внутренней конверсии. В этом процессе энергия возбуждения ядра непосредственно передается орбитальному электрону, в результате чего он
Атомов отдачи может быть объяснен различием в направлениях их импульсов относительно направления задерживающего электрического поля и торможейнем в поверхностном слое пластинки S.
Таким образом, опыты Аллена показали, что в элементарном акте К-захвата ядро-продукт распада получает энергию отдачи. Это может происходить только в том случае, если одновременно с захватом электрона с К-оболочки ядро испускает какую-то нейтральную частицу.
Хотя трудно подыскать другую причину возникновения у ядра столь большого импульса, строго говоря, описанные опыты не могут считаться экспериментом, доказывающим существование нейтрино, так как в них не наблюдалось непосредственное взаимодействие нейтрино с веществом. Наблюдение таких реакций, вызванных непосредственно свободными нейтрино, удалось осуществить только в 1956 г.
……………………………………………………
Получает возможность покинуть атом. Кинетическая энергия вырванного электрона будет на величину энергии связи электрона «в соответствующей оболочке меньше энергии γ-кванта После того как вылет электрона из атома произошел, электронная орбита остается незанятой, вследствие чего возникает характеристическое рентгеновское излучение, сопровождаемое иногда испусканием электронов.
Отношение между числом вылетающих электронов и излученных фотонов называется коэффициентом внутренней конверсии.
Полный коэффициент внутренней конверсии a=ak+al+…
Коэффициент конверсии сильно зависит от энергии перехода: он уменьшается с ростом ΔЕ и растет с увеличением Z. Таким образом, наибольшее значение внутренняя конверсия имеет для тяжелых ядер.
По энергии конверсионных электронов можно определять энергии ядерных уровней.
Распадаться. Dn = -λndt.
Поскольку λ не зависит от времени, после интегрирования получаем N = Noe-λt т. Е. Число нераспавшихся ядер убывает во времени экспоненциально.
……………………………………
Короткодействующими ядерными силами притяжения. Внутри ядра потенциальная энергия α -частиц принимается постоянной (участок АВ).
Предположим что вылетающие из ядер α -частицы имеют в среднем кинетические энергии намного меньше высоты кулоновского барьера, то это означает, что кинетическая энергия α -частицы, пока она проходит барьер, отрицательна.
С точки зрения классической механике, если шарик с массой m приблизится к подобному барьеру, то он отразится от него и повернет
Назад. Но квантовая механика показывает, что при любой конечной высоте потенциального барьера падающая на него заряженная частица, полная энергия которой положительна, имеет хотя и малую, но конечную вероятность «просочиться» сквозь барьер. Наличие такого квантового эффекта, называемого «туннельным переходом», и лежит в основе α -распада.
………………………………………………
Б. Β+ -распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино, а новое ядро имеет атомный номер на единицу меньше (ΔZ=-1): Распад свободного протона невозможен энергетически, так как его масса меньше массы нейтрона. Внутри же ядра такой процесс может идти за счет энергии ядра:
В. К β -распадам явлениям относится также электронный захват, при котором ядро захватывает электроны с атомной оболочки и испускает нейтрино: .
Чаще всего захват происходит с К-оболочки и потому процесс называется К-захватом, но он возможен и для других оболочек. При этом внутри ядра один протон превращается в нейтрон:.
Явление К-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, возникающим, когда освободившееся место (К, L) заполняется электронами, находящимися на более высоких уровнях.
Заряженных частиц в статических магнитных и электрических полях. Если же частица не заряжена (например, нейтрон), то измерение ее массы может быть сведено к измерению масс заряженных частиц.