Элементы физики атомного ядра

Состав атомных ядер

протонно-нейтронную модель ядра атома: атомное ядро состоит из элементарных частиц – нуклонов.

Ядра химических элементов обозначаются символом

А = Z + N.

Изотопы - ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но разным массовым числом А (отличаются числом нейтронов).

Ядерные силы - силы, действующие между нуклонами в ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер (проявление сильного взаимодействия).

Свойства ядерных сил:

1) являются силами притяжения;

2) являются короткодействующими (заметно проявляются лишь на расстояниях порядка размеров ядра r ≈ 10^–15 м);

3) обладают свойствами зарядовой независимости (одинаково действуют между протоном и протоном, между протоном и нейтроном, между нейтроном и нейтроном).

Чтобы разделить ядро атома на отдельные нуклоны, необходимо сообщить ядру некоторую энергию, которую называют энергией связи ΔЕ_св.

,

где Δm=Z·m_p+N·m_n–m_яд – дефект массы ядра, т.к. масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов:

,

где m_яд, кг – масса ядра атома;

m_p=1,6726·10^–27кг – масса протона;

m_n=1,6749·10^–27кг – масса нейтрона.

Однако в справочных таблицах приводятся массы нейтральных атомов, а не ядер, поэтому формулу (3.1.4) целесообразно преобразовать так, чтобы в неё вместо массы ядра m_яд входила масса атома m_а.

Так как масса нейтрального атома равна сумме массы ядра и масс Z электронов, составляющих электронную оболочку, то:

.              (3.1.5)

Подставляя (3.1.5) в (3.1.4), получим:

. (3.1.6)

Поскольку m_p+m_e=m_H, то формула (3.1.6) запишется в виде:

,                    (3.1.7)

где m_H, а.е.м. - масса атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона.

Примечание: Во внесистемных единицах энергия связи ядра равна:

ΔЕ_св=931·Δm,                                      (3.1.8)

где Δm - дефект массы, выраженный в атомных единицах массы (а.е.м.),

931 - коэффициент пропорциональности (1 а.е.м. ~ 931 МэВ).

Отношение энергии связи ΔЕ_св к числу нуклонов А в ядре называется удельной энергией связи ядра. Она характеризует устойчивость ядра и неодинакова для разных атомных ядер.

Радиоактивность

Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием α, β-частиц и γ-квантов. Различают:

1. Естественную радиоактивность (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе; ею обладают все химические элементы, начиная с порядкового номера Z = 83, А ≈ 208 а.е.м.), например:

.

2. Искусственную радиоактивность (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций), например:

.

В результате опытов было выяснено, что радиоактивность сопровождается испусканием излучений трех видов, отличающихся по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности:

1) α-излучение - поток ядер атомов гелия  (скорость движения ≈ 10⁷м/с);

2) β-излучение - поток быстрых электронов (скорость движения от 10⁸м/с до 0,999 с, где с, м/с – скорость света;);

3) γ-излучение - электромагнитная волна с длиной 10^-10-10^-13м (γ-лучи не отклоняются электрическим и магнитным полями).

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений представлена на рисунке 3.2.1.

Радиоактивный препарат (П) помещается в свинцовый контейнер (К). Радиоактивное излучение, проходя через поперечное магнитное поле, разделяется на три излучения, которые регистрируются фотопластинкой (Ф).

В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причём β-лучи отклоняются значительно больше.

γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.