Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Фізика ядра і елементарних часток
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Фізика
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Розділ XXV. Фізика ядра і елементарних часток
§25.1.Основні поняття про елементарні частки
Кількість елементарних частинок*), які відомі до цього часу, вже перевищує два порядки. Щоб їх класифікувати, необхідно приймати до уваги взаємодії між ними. Інтенсивність її між елементарними частками характеризується сталою взаємодії. За означенням – це стала безвимірна величина, яка визначає імовірність процесу елементарних перетворень і зумовлена видом самої взаємодії.
Відомі чотири види взаємодій:
1. Гравітаційна взаємодія. Її носієм є гравітаційне поле, а квантом – гравітон. В цій взаємодії приймають участь матеріальні об’єкти будь-якої природи.
Стала взаємодії для неї складає порядку EMBED Equation.3 , радіус – безмежний, а час приблизно оцінюється в EMBED Equation.3 років. Гравітаційна взаємодія ненасичуюча, універсальна і властива практично для всіх тіл, але суттєвої ролі в мікросвіті не відіграє.
2. Слабка взаємодія. Стала слабкої взаємодії порядку EMBED Equation.3 , а час взаємодії складає EMBED Equation.3 . Носієм слабкої взаємодії є так зване векторне мезонне поле, яке, в основному, проявляється
*) Крім частинок є античастинки. До них належать такі елементарні частинки, які взаємодіючи з античастинками їм перетворюються в інші матеріальні частинки – кванти відповідних полів.
під час бета-розпаду, розпаду нестабільних часток, взаємодії нейтрино з речовиною. Стала слабкої взаємодії приблизно втрічі більша, ніж для гравітаційної, однак радіус дії не перевищує EMBED Equation.3 . На відміну від інших взаємодій, слабка взаємодія не утворює зв’язаних станів. Її прикладом є бета-розпад нейтрона, під час якого він перетворюється в протон, електрон і антинейтрино за схемою
EMBED Equation.3 . (25.1.1)
3. Електромагнітна взаємодія. Вона проявляється між зарядженими частинками. Для неї стала взаємодії дорівнює EMBED Equation.3 , що порядку EMBED Equation.3 , радіус дії необмежений ( EMBED Equation.3 ), а час взаємодії необмежений для стабільних заряджених часток.
Інтенсиввність електромагнітної взаємодії на два порядки менша, ніж сильна. В електромагнітній взаємодії приймають участь всі заряджені частинки фотон, EMBED Equation.3 мезон і нейтрон, в якого заряд відсутній, але є магнітний момент.
4. Сильна або ядерна взаємодія. Стала взаємодії для неї порядку одиниці, а радіус дії порядку EMBED Equation.3 . Час взаємодії складає EMBED Equation.3 . Носієм сильної взаємодії є піонне поле, а квантами – піони.
Ядерна взаємодія здатна до насичення. У ній беруть участь всі сильно взаємодіючі частинки: нуклони, EMBED Equation.3 мезони, дивні частинки і резонанси та їх античастинки. Однак не приймають участь в сильній взаємодії фотони і лептони.
Отже, з точки зору розглянутих взаємодій елементарні частки можна згрупувати в такі класи.
1.Гравітони – кванти і носії гравітаційної взаємодії. До таких відносять ті, що приймають участь в гравітаційній взаємодії. Гравітони лише передбачені теоретично і до цього часу експериментально не виявлені.
2. Фотони –кванти електромагнітного поля і приймають учсть в електромагнітній взаємодії. Вони не приймають участі в сильній і слабкій взаємодіях. Фотони відносяться до стабільних часток, маса спокою яких дорівнює нулеві, тобто існують лише в русі.
3.Лептони. Це група легких часток. До них відносяться вісім частинок, що не беруть участь в сильній взаємодії: електронное та мюонне нейтрино, електрон, EMBED Equation.3 мезон і відповідні цим частинкам античастинки. Маси лептонів змінюються в широких межах: від нуля (для нейтрино) до EMBED Equation.3 електронних мас (для мюона). Всі лептони мають спін EMBED Equation.3 , тому описуються статистикою Фермі-Дірака. Електрон і EMBED Equation.3 мезон беруть участь в електромагнітних взаємодіях, а нейтрино – лише в слабких. До цієї групиних належать також нейтріно і мюон.
Отже, лептони приймають участь в гравітаційній, електромагнітній і слабкій взаємодіях.
4.Адрони – це клас елементарних часток, які приймають участь у всіх чотирьох типах взаємодій. Сюди належать мезони, як частинки із цілим значенням спіна,нуклони та гіперони, як частинки, що мають півціле значення спіну. Причому адрони характеризуються наявністю в них сильної взаємодії поряд з електромагнітною і слабкою, тоді як в лептонах переважаючими є електромагнітна і слабока взаємодії.
Електрон. Електорн – це елементарна частинка з від’ємним дискретним, величина якого квантована EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 , а маса дорівнює EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 .
Протон. В 1919 році внаслідок бомбардування електронами атомів водню Резерфорд відкрив протон – ядро атома водню. Маса протона дорівнює EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 , що майже в 1838 разів перевищує масу електрона.
В одиницях енергії маса протона дорівнює EMBED Equation.3 (мегаелектронвольт). Для порівняння маса електрона дорівнює EMBED Equation.3 . Протон має спін EMBED Equation.3 і власний магнітний момент EMBED Equation.3 ( де EMBED Equation.3 - одиниця магнітного момента - ядерний магнетон).
За сучасними уявленнями, незважаючи на те, що протон – це елементарна частка, він має досить складну будову. Як елемнтарна частинка, протон стабільний, однак заряд його розподілений нерівномірно. Шляхом обстрілу протонів швидкими електронами у ньому виявлені три згущені області заряду, які названі кварками: два із кварків мають заряд EMBED Equation.3 , а один EMBED Equation.3 . Кварки взаємодіють між собою шляхом обміну іншими елементарними частками, які називаються глюонами.
Відкриття протона сприяло розумінню будови ядра. Однак на час відкриття ядра вчені ще не знали, що до його складу входять і нейтральні частинки – нейтрони. Однак було ясно, що кількість протонів не відповідає атомній масі. Тому логічно постало питання про наявність ще одної частинки. Лише в 1932 році Чедвік її відкрив – це був нейтрон.
Нейтрон. Елементарна частка з нульовим електричним зарядом і масою дещо більшою, ніж маса протона. В енергетичних одиницях EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 .
Відсутність заряду у нейтрона пояснює його чималу проникну здатність. Він просочується крізь речовину, майже “не помічаючи” електронів і змінює свій імпульс лише під час зіткнення з ядром.
Нейтрон – частинка стабільна і може існувати як завгодно довго. Однак, у вільному стані він себе почуває некомфортно, і через чверть години від вільних нейтронів залишається лише половина, а решта розпадається за схемою (25.1.1). Ще через 15 хвилин лишається лише чверть нейтронів і тощо. Тому в природі вільні нейтрони не зустрічаються, оскільки з часом вони розпадаються.
Нейтрон, незважаючи на свою електронейтральність, нагадує маленький магніт сферичної форми. Це зв’язано з тим, що він складається з двох негативних і одного позитивного кварків. Нейтрон має спін EMBED Equation.3 , власний магнітний момент EMBED Equation.3 (знак мінус вказує на те, що напрям власних механічного і магнітного моментів протилежні)*).
Ще в 30-і роки Ландау передбачив, що при надвисоких щільностях, які перевищують щільність атомного ядра, речовина майже повністю повинна складатися з нейтронів. На основі цієї гіпотези в подальшому вчені розробили модель нейтронних зірок. Згідно з нею, нейтронна зірка виникаює внаслідок стискання під дією потужних сил тяжіння речовини масивних холодних зірок, при якому
*) Відкриття нейтрона дало змогу українському вченому Іваненко запропонувати модель ядра
вони переходять у стан нейтронної рідини і є гігантською “краплею” надщільної ядерної матерії радіусом близько EMBED Equation.3 .
Позитрон – це елементарна частинка, яка була відкрита в 1938 році Андерсоном у потоці вторинних заряджених часток, створюваних у земній атмосфері космічними променями дуже високої енергії. Позитрон у 207 разів важчий, ніж електрон.
Нейтрино. У 1930 році Паулі висловлює сміливу гіпотезу про те, що під час бета-розпаду вилітає ще одна, однак електрично нейтральна частинка – нейтрино. Енергія випадково перерозподіляється між електроном і нейтроном, тому під час бета-розпаду випромінюються бета-промені найрізноманітніших енергій. Цю частинку довго шукали, і під час бета-розпаду ядер, і в прискорювачах заряджених частинок високих енергій, і в космічних променях, що приходять на Землю з глибини космосу. Лише в 1953 році нейтрино виявили у потужному потоці радіоактивного випромінювання атомного реактора.
Мезон, квант короткодіючих ядерних сил між нуклонами у ядрі. Маса у 200 разів більша, ніж маса електрона.Спін усіх мезонів дорівнює нулеві, так що принцип Паулі на них не розповсюджується.
Кварки. У 1964 році Гелл-Манн і Цвейг висунули гіпотезу про те, що всі частинки, які сильно взаємодіють між собою (адрони), складаються з кварків і антикварків. На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають дробовий електричний заряд.
У багатьох частинках виявились двійники у вигляді античастинок. Частинки і античастинки мають багато однакових характеристик, але відрізняються знаком електричного заряду, та й іншими деякими властивостями. Ними можуть бути такі пари як електрон і позитрон, протон-антипротон та інші. Античастинки виявлені також і для нейтральних частинок.
§25.2. Будова і розміри ядра. Характеристика
ядерних сил
Досліджуючи проходження EMBED Equation.2 - часток з енергією декілька EMBED Equation.3 крізь тонкі пластинки золота, Резерфорд зробив висновок про те, що атом складається з позитивно зарядженого ядра та електронів, які його оточують. Розміри ядра оціюються порядку EMBED Equation.2 EMBED Equation.3 і є значно менші, ніж атома EMBED Equation.2 EMBED Equation.3 , тобто його зовнішньої електронної оболонки.
Ядро- це центральна, відносно масивна, додатно
заряджена частина атома, яка складається з нейтронів і протонів (нуклонів), навколо якої обертаються його електрони. Протони і нейтрони ще називаються нуклонами (від латинського “nukleus” – ядро). З точки зору ядерної взаємодії ці нуклони абсолютно ідентичні, відрізняються лише зарядом. Всі експериментальні результати свідчать про справедливість протонно-нейтронної моделі структури ядра.
Загальна кількість нуклонів в ядрі називається масовим числом EMBED Equation.3 або атомною масою. До складу ядра входять Z протонів та N нейтронів, тому
EMBED Equation.3 . (25.2.1)
Атом з певною кількістю протонів і нейтронів в складі ядра називається нуклідом. Нуклід з ядром в основному стані позначають EMBED Equation.3 , де X – це символ хімічного елемента з порядковим номером Z.
Атомне ядро характеризується зарядом EMBED Equation.3 , де EMBED Equation.3 – заряд протона, а EMBED Equation.3 – зарядове число ядра. Зарядове число EMBED Equation.3 визначає одночасно:
- кількість протонів в ядрі;
- кількість електронів в електрично нейт ральному атомі;
- порядковий номер елемента в періо дичній системі
Менделєєва.
Радіус ядра оцінюється за формулою
EMBED Equation.3 , (25.2.2)
де EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 . Отже, радіус ядра пропорційний кількості нуклонів. Тому густина ядерної речовини наближено однакова для всіх ядер EMBED Equation.2 . Значення сталої EMBED Equation.3 залежить від методів вимірювання і характеризує прояв різних властивостей ядер.
Ряд експериментальних результатів свідчать про те, що в ядра відсутня чітко визначена форма з чіткою межею. Однак, в загальному для простоти зручно вважати, що ядро – це сфера з чітко вираженою межею.
Важливою характеристикою рухомою частинки є її власний момент імпульсу (момент кількості руху), якщо з точки зору класичної фізики уявляти її як частинку, що обертається навколо власної осі. З точки зору квантової механіки власний момент імпульсу частинки – це її спін. Крім цього, за рахунок орбітального руху, частинки мають ще орбітальний момент імпульсу. Як спін, так і орбітальний момент дорівнюють цілому або півцілому значенню сталої EMBED Equation.3 .
Отже, поряд з зарядом і масою, важливою характеристикою ядра є його спін. Ядерний спін дорівнює векторній сумі спінів та орбітальних моментів усіх нуклідів, що входять в ядро. Ті ядра, спін яких не дорівнює нулеві, володіють магнітними властивостями.
Спін ядра вимірюється в ядерних магнетонах, який вводиться аналогічно магнетону Бора
EMBED Equation.3 . (25.2.3)
Ядерний магнетон в 1836 разів менший, ніж магнетон Бора, тому магнітні властивості атома, переважно, визначаються магнітними властивостями елек тронів, а його хімічні властивості пов’язані з кількістю електронів у ньому, тобто зарядом ядра і не залежать від масового числа або кількості у ньому нейтронів.
Нукліди з однаковою кількістю EMBED Equation.3 протонів і різною кількістю нейтронів, називаються ізотопами хімічних елементів. Так наприклад, водень має три ізотопи: протій EMBED Equation.3 , дейтерій EMBED Equation.3 і тритій EMBED Equation.3 .
Нукліди з однаковими масовими числами, але з різними порядковими номерами називають ізобарами., наприклад: ізобарами атома гелію є EMBED Equation.3 та EMBED Equation.3 .
Нукліди , ядра яких мають однакову кількість нейтронів, але різну кількість протонів називаються ізотонами. Ізотонами є EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 .
Маса і енергія зв’язку ядра. Маса ядра завжди менша, ніж сума мас його нуклонів. Це пов’язано з тим, що частина енергії витрачається на утворення зв’язків між нуклонами.
Енергія спокою частинки масою EMBED Equation.3 дорівнює EMBED Equation.3 . Тому виходячи із закону збереження енергії, енергія зв’язку ядра масою EMBED Equation.3 буде дорівнювати
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 .(25.2.4)
Величина
EMBED Equation.3 (25.2.5)
називається дефектом маси. Наприклад, маса ядра гелію EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 . Тому для ядра гелію дефект маси буде дорівнювати EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 . Зазначимо, що для ядра гелію дефект маси – величина додатна. Тому при його розпаді віділяється енергія, яка чисельно дорівнює енергії зв’язку EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 .
Вираз (25.2.4) визначає енергію зв’язку нуклона в ядрі. Вона дорівнює тій роботі, яку необхідно виконати, щоб розділити ядро на нуклони без надання їм кінетичної енергії. Тому міцніші ядра розщепити важче, оскільки для цього треба виконати більшу роботу.
Однак енергія з’язку не відображає міру міцності або міру стабільності ядер. Цю характеристику точніше виражає питома енергія зв’язку - енергія , яка припадає на один нуклон
EMBED Equation.3 (25.2.6)
Як бачимо із рис.25.2.1, питома енергія зв’язку приблизно однакова для більшості ядер і складає EMBED Equation.3 . Вийняток складають лише дуже легкі ядра, питома енергія зв’язку яких суттєво залежить від складу ядра. Так, для дейтерію (протон і нейтрон) вона дорівнює приблизно EMBED Equation.3 .
Із збільшенням кількості нуклонів в ядрі питома енергія зв’язку різро зростає, досягаючи найбільшого значення при значенні масового числа EMBED Equation.3 . Така залежність пояснюється наявністю поверхневих і внутрішніх нуклонів, щось подібно до взаємодії між молекулами в об’ємі і на поверхні рідини.
Важливо підкреслити те, що характер залежності EMBED Equation.3 вказує на можливи шляхи виділення вільної енергії під час ядерних перетворень. Це або синтез легких ядер в більш тяжкі (термоядерна реакція), або реакція поділу важкого ядра на середні.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
а б
Рис.25.2.1
Дослідами було встановлено, що:
1. Найміцнішими є ті ядра , які мають середні значення масових чисел EMBED Equation.3 і розташовані у середній частині таблиці Менделеєва, навколо заліза та нікелю.
2. Міцність важчих ядер плавно зменшується зі збільшенням їх розмірів і кількості протонів.
3. Легкі ядра мають складнішу залежність EMBED Equation.3 від параметра EMBED Equation.3 .
В ядерній фізиці для вимірювання енергії користуються спеціальною одиницею – атомна одиниця енергії (а.о.е.) що відповідає одній атомній одиниці маси (а.о.м.) *). При такому виборі одиницій енергії енергія системи буде дорівнювати її маси в а.о.м.
За Ейнштейном, енергія частинки і її маса пов’язані між собою співвідношенням EMBED Equation.3 , тому масу атома можна виразити
*) За атомну одиницю маси приймається EMBED Equation.3 частина маси атома вуглецю EMBED Equation.3 , тобто EMBED Equation.3 .
також в одиницях енергії як: EMBED Equation.3 .
Ядерні сили. Оскільки до складу ядра входять нейтрони, як незаряджені частинки, і протони, як заряджені, то зрозуміло, що нуклони в ядрі втримуються особливими, ядерними силами притягання і їх не можна звести ні до електромагнітних, ні до гравітаційних сил.
Наголосимо ще раз на їх основних властивостях.
1.Ядерні сили є короткодіючі. Для відстаней між
нуклонами більших, ніж EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 вони мають притягуючий характер, а для менших - відштовхуючий. Ядерні сили перевищують
електромагнітні приблизно в 100 разів і проявляються, в основному, на досить малих відстанях EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 , тобто в межах розмірів лише самого ядра. Тому ядерні взаємодії – це сильні взаємодії.
На один нуклон припадає EMBED Equation.3 , тоді як енергія взаємодії між ядром та електронами складає від десятки до тисячі електрон-вольт.
2.Ядерні сили зарядово незалежні. Це означає, що вони одаково проявляються як між нейтральними нуклонами, так і однойменно зарядженими або між зарядженими і незарядженими нуклонами.
3. Ядерні сили не центральні. Їх не можна моделювати через пряму, що проходить через центри мас взаємодіючих нуклонів. Тоді за законами квантової механіки виходило, що в цьому разі між нуклонами виникають обмінні сили притягуючогохарактеру.
Однак як виявилось, електрон та нейтрино – надто легкі і слабовзаємодіючі частинки, щоб забезпечити міцні зв’язки нуклонів у ядрі. Щоб усунути цю суперечність, Юкава висловив думку про те, що стабільна взаємодія між нуклонами в ядрі забезпечується обміном між ними особливої частки, яка повинна бути значно важчою, ніж електрон чи нейтріно. Цю частинку Юкава назвав мезоном*).
______________
*)Частинки, що існують лише в області ядерних взаємодій, називаються віртуальними. Для того, щоб вона могла перетворитись в реальну частинку, тобто відокремитись від нуклона і існувати окремо від нього, взаємодіючі нуклони повинні мати дуже високу кінетичну енергію. Лише тоді певна її частка під час взаємодії може перетворитись в енергію спокою EMBED Equation.3 – мезона (піона)
Моделі ядра. Тепер існує кілька моделей атомного ядра. Найбільш простою є крапельна, яка була розроблена Бором і Френкелем.
Ця модель основана на аналогії між поведінкою нуклонів в ядрі та поведінкою молекул в рідині. Між молекулами краплі діють
короткодіючі сили – молекула взаємодіє лише з найближчим оточенням. Оскільки ця взаємодія в об’ємі і на поверхні має різний характер, то це зумовлює появу сил поверхневого натягу. Для краплини рідини при незмінних зовнішніх умовах характерна сталість густини її речовини.
Така ж сталість густини характерна і для ядра. Вільна крапля
має форму кулі, як найбільш енергетично вигідний стан, а її густина не залежить від її розмірів, що характерно і для ядерної речовині. В цій моделі ядро розглядається у вигляді краплини рідини, в якій нуклони рухаються інтенсивно та хаотично, зазнаючи зіткнень між собою, під час яких відбувається обмін енергією та імпульсом. Розмір і стійкість ядра визначаються поверхневими силами ядерного притягання.
Якщо ядро отримує певну порцію енергії, то вона перерозподіляється між нуклонами і ядро переходить у збуджений стан на вищий енергетичний рівень. Середній час життя ядра у збудженому стані дорів нює EMBED Equation.3 . За цей короткотривалий проміжок часу можуть виникнути такі умови, при яких отриманої енергії буде достатньо, щоб перебороти сили поверхневого натягу. Тоді виникає процес перетворення ядра, який супроводжується випромінюванням нуклона або альфа-частинки. Цей процес аналогічний процесу випаровування молекули з поверхні рідини.
Незважаючи на свою простоту, крапельна модель дозволяє передбачити ряд важливих властивостей ядерної речовини, які підтверджуються експериментально.
1. Об’єм ядерної краплини заповнений нуклонами так, як краплина рідини молекулами. Тому об’єм ядра пропорційний кількості в ньому нуклонів (масовому числу EMBED Equation.3 ) а , отже, радіус ядра EMBED Equation.3 .
2. Маса краплини також пропорційна кількості нуклонів, тому всі ядра мають однакову об’ємну густину нуклонів EMBED Equation.3 і однакову густину ядерної речовини EMBED Equation.3 .
3. Середня відстань між центрами двох поряд розташованих нуклонів також є сталою величиною EMBED Equation.3 і не залежить від кількості нуклонів в ядрі.
4. Крапельна модель ядра дозволяє одержати напівемпірічну формулу для розрахунку енергії зв’язку атомного ядра. Така формула вперше було отримана Вайцзеккером:
EMBED Equation.3 ,(25.2.7)
де EMBED Equation.3 – емпірічні коефіцієнта, однакові для всіх ядер, лише EMBED Equation.3 – для парних ядер, EMBED Equation.3 –непарних і EMBED Equation.3 – для ядер з непарним EMBED Equation.3 . Кожен із доданків в формулі (25.2.7) має чіткий фізичний зміст. Так перший виражає притягання нуклонів, другий – зменшення ядерних сил за рахунок поверхневих нуклонів, третій – кулонівське відштовхування, четвертий – ефект протонно-нейтронної асиметрії, тобто коли кількість нейтронів і протонів неоднакова, п’ятний – взаємну компенсацію спинів усіх нуклонів.
5. Крапельна модель дозволяє також пояснити явище поділу ядер.
Однак крапельною моделлю не можна пояснити вплив протонно-нейтронної структури на стійкість ядер. З її точки зору незрозуміла підвищена стійкість ядер, які маючь магічні кількості протонів і нейтронів: EMBED Equation.3 (такі ядра називаються магічними).
Оболонкова модель. Її авторами є Гепперт-Майєр і Іенсен. Ця модель допускає розподіл нуклонів в ядрі на дискретних енергетичних рівнях (оболонках), які заповнені нуклонами згадно з принципом Паулі. Оболонкова модель дозволила пояснити спіни і магнітні моменти ядер, а також періодичність зміни їх властивостей.
Енергетична структура ядра. Атомне ядро – це квантово-механічна система, для якої також характерні рівні з енергіями EMBED Equation.3 , перехід між якими визначають енергетичний спектр ядра (рис.25.2.1). Якщо на ядро не діють ніякі зовнішні сили, то воно знаходиться в основному енергетичному стані EMBED Equation.3 . При збудженні, ядро переходить на один із верхніх енергетичних рівнів і повертаючись назад, випромінює EMBED Equation.3 –квант.
Середній час життя ядра в збудженому стані складає EMBED Equation.3 , а час ядерної взаємодії – EMBED Equation.3 . Виявляється, що під час перебування ядра в збудженому стані відбувається багатократний обмін енергією між нуклонами. Саме він не дозволяє ядру швидко віддати надлишок енергії і перейти в основний стан.
§25.3. Радіоактивність. Закон радіоактивного
розпаду ядер. Види радіоактивного розпаду
та їх іонізуюча дія
Радіоактивність – це самочинний розпад ядер деяких
хімічних елементів, внаслідок яких вони перетворюються в інші елементи. Елементи, що мають ці властивості, називаються радіоактивними, а випромінювани ними промені – радіоактивними променями.
Радіоактивністю є EMBED Equation.3 - розпад; EMBED Equation.3 - розпад; EMBED Equation.3 - випромінювання; спонтанний поділ важких ядер; протонна радіоактивність. Радіоактивність була відкрита ще Беккерелем у 1886 р. Із 1500 відомих сьогодні нуклидів лише 256 стабільні, а всі решта – нестабільні.
Радіоактивність, що спостерігається в ядрах, які існують в природних умовах, називається природною. Радіоактивність ядер, які одержані за допомогою ядерних реакцій, називається штучною. Між природною та штучною радіоактивністю немає принципової різниці.
Природні радіоактивні перетворення ядер, які відбуваються самочинно, називаються радіоактивним розпадом. Ядро, що виникло внаслідок розпаду, називається дочірним, а ядро, яке розпалось, – материнським.
Теорія, яка пояснює явище радіоактивності, ґрунтується на припущенні, що радіоактивний розпад є спонтанним процесом. Доказом цього є експериментальні факти про те, що на їх швидкість не впливають ніякі зовнішні зміни температури, тиску, наявність електричних чи магнітних полів, вид хімічної сполуки, та її агрегатний стан. Це свідчить про те, що радіоактивний процес відбувається в самому ядрі атома. Отже, радіоактивний розпад – це властивість самого яжра атома, і залежить вона лише від його внутрішнього стану.
Радіоактивний розпад спричинює безперервне зменшення кількості атомів радіоактивного елементу. Протікає цей процес так, що кількість атомів, які не розпались, дорівнює:
EMBED Equation.3 (25.3.1)
або
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 . (25.3.2)
а б
Рис.25.3.1
Тут знак „–“ вказує на те, що загальна кількість радіоактивних ядер під час розпаду зменшується EMBED Equation.3 за експоненційним законом (рис.25.3.1,а), EMBED Equation.3 – кількість радіоактивних атомів у початковий момент, EMBED Equation.3 -період піврозпаду, тобто час, протягом якого кількість радіоактивних атомів, що не розпались, зменшиться вдвічі, EMBED Equation.3 стала величина, яку називають сталою розпаду або радіоактивною сталою. Вона визначається з умови періоду піврозпаду радіоактивної речовини EMBED Equation.3 як часу, протягом якого лишається половина вихідної речовини. Графічно її можна визначити як тангенс кута нахилу (рис.25.3.1,б).
Якщо сталу розпаду виразити через відносне зменшення кількості ядер, які зазнають розпаду за одиницю часу EMBED Equation.3 , то величина
EMBED Equation.3 (25.3.3)
характеризуватиме активність радіоактивного елементу.
Активністю радіоактивної речовини називається кількість актів розпаду, що відбувається за одиницю часу в радіоактивному випромінювачі. Вона обернено пропорційна до періоду піврозпаду і зменшується з часом за експоненційним законом (рис.25.3.1,а), що дає можливість оцінити активність речовини за нахилом відповідної прямої , одержаної в напівлогарифмічних координатах (рис.25.3.1,б).
Радіоактивний розмад має імовірний характер. Тому величина ймовірності розпаду є характерним параметром конкретно заданого радіоактивного нукліда. Його не можна змінити, тому всі розпади є рівноімовірними, звідки період піврозпаду представляється можливим виразити через інший параметр EMBED Equation.3 – сталу розпаду як EMBED Equation.3 . (25.3.4)
За одиницю активності у системі EMBED Equation.3 береться один розпад за секунду – беккерель ( EMBED Equation.3 ). Ця величина дуже мала, тому частіше користуються позасистемними, встановленими раніше, одиницями, наприклад, кюрі (Кі) і її похідними (мілі-, мікро-). Один кюрі дорівнює 3.7 EMBED Equation.3 одиниць EMBED Equation.3 (беккерель). Треба пам’ятати про подібність позначень активності та атомної маси. До введення системи СІ , крім кюрі, активність вимірювалась ще в резерфордах ( EMBED Equation.3 ): 1 EMBED Equation.3 =106 EMBED Equation.3 .
Період піврозпаду змінюється у дуже широких межах – від часток секунди до мільярдів років. Наприклад, торій-232 має перод піврозпаду 13.9 мільярдів років, а уран-238 – 4.5 млрд.років.
Експоненційний характер радіоактивного розпаду дає можливість також ввести в розгляд середній час життя радіоактивного елементу як
EMBED Equation.3 , (25.3.5)
величину, що обернено пропорційна сталій EMBED Equation.3 .
Інтенсивністю радіоактивного випромінювання EMBED Equation.3 зветься така кількість її енергії EMBED Equation.3 , що падає за одиницю часу на одиницю поверхні EMBED Equation.3 , перпендикулярну напрямку поширення іонізованого випромінювання
EMBED Equation.3 . (25.3.6)
Пересвідчуємось, що енергія радіоактивного випромінювання визначається добутком кількості часток або квантів EMBED Equation.3 на середню енергію частки чи кванта EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 . Тоді його інтенсивність можна визначити як добуток густини потоку випромінювання на середню енергію EMBED Equation.3 як
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 , (25.3.7)
де EMBED Equation.3 – густина його потоку. Оскільки пропорційна густині потоку, то про інтенсивність можна судити за кількістю часток або квантів, зареєстрованих приладом.
Види радіоактивних розпадів та їх іонізуюча дія. В кінці ХІХ сторіччя, коли французький фізик Беккерель відкрив радіоактивність, була встановлена здатність деяких важких елементів, розташованих у кінці таблиці Менделеєва, випускати невидимі для ока промені трьох типів: альфа ( EMBED Equation.3 )-, бета ( EMBED Equation.3 )–гама EMBED Equation.3 – промені. Також вияснилось, що вони по-різному поводять себе у зовнішньому магнітному полі.
1. EMBED Equation.3 -промені. Понад 40 природних і 200 штучних радіонуклідів випромінюють EMBED Equation.3 -промені. За свою природю альфа випомінювання – це потік іонізованих атомів гелію EMBED Equation.3 , які несуть позитивний заряд, тому відхиляються в електричному і магнітному полях. EMBED Equation.3 – частинки мають досить високу іонізуючу здатність, а, отже, малу проникність. Треба зазначити, що в ядрі EMBED Equation.3 –частинка відсутня, а утворюється вона із чотирьох нуклонів у момент розпаду.
EMBED Equation.3 -розпад відбувається за схемою
EMBED Equation.3 (25.3.8)
і характерний для важких ядер, в яких спостерігається зниження питомої енергії зв’язку в порівнянні із середніми ядрами. Наприклад, урану –238 розпадається за такою схемою:
EMBED Equation.3 . (25.3.9)
Радіус ядра урану EMBED Equation.3 порядку EMBED Equation.3 . Якщо допустити, що він того ж порядку, що і довжина хвилі де Бройля, то швидкість переміщення EMBED Equation.3 –частинки в ядрі буде дорівнювати порядку EMBED Equation.3 . Цієї кінетичної енергії EMBED Equation.3 –частинці не досить, щоб перебороти кулонівський потенціальний бар’єр і з класичної точки зору вона не повинна була б залишати ядро. Лише квантова механіка пояснила природу EMBED Equation.3 – розпаду. Згідно із теорією Гамовим, Генрі і Кондоном, альфа-розпад відбувається завдяки тунелюванню EMBED Equation.3 –частинок через потенціальний бар’єр ядерних сил.
В ядрі EMBED Equation.3 - частинок немає, вони виникають з чотирьох нуклонів лише в момент EMBED Equation.3 - розпаду. Здійсненню EMBED Equation.3 - розпаду перешкод жає значний кулонівський потенціальний бар’єр величиною EMBED Equation.3 , який в декілька разів перевищує різницю енергій EMBED Equation.3 між початковим і кінцевими станами системи. EMBED Equation.3 – частинка тунелює крізь бар’єр прозорістю
EMBED Equation.3 . (25.3.10)
Ця формула свідчить про велику чутливість прозорості бар’єра до найменших змін енергії EMBED Equation.3 - частинки, що перебуває всередині потенціальної ями. Навіть незначні флуктуації енергії EMBED Equation.3 призводять до того, що величина D буде дуже змінюватись. Цим пояснюються великі відмінності в періодах піврозпаду EMBED Equation.3 - випромінювачів – від EMBED Equation.3 років до EMBED Equation.3 с при порівняно невеликому зростанні енергії EMBED Equation.3 - частинок в межах EMBED Equation.3 .
Зв’язок між сталою розпаду EMBED Equation.3 і прозорістю D потенціального бар’єру для EMBED Equation.3 -частинки простіше обгрунтувати для бар’єру прямокутної форми шириною порядку радіуса ядра EMBED Equation.3 . Тоді стала розпаду і прозорість позв’язані між собою таким співвідношенням
EMBED Equation.3(25.3.11)
де EMBED Equation.3 – швидкість EMBED Equation.3 - частинки в ядрі. Ця формула свідчить про існування залежності між сталою розпаду і початковою енергією EMBED Equation.3- частинки.
Під час EMBED Equation.3 – розпаду за реакцією (25.3.9) утворюється радіоактивний ізотоп торію EMBED Equation.3 . В подальшому він бета-розпаду, тому перетворюється в радіоактивний протоактиній EMBED Equation.3 і тощо. Завершується цей ланцюжок розпадів утворенням стабільного ізотопа свинцю EMBED Equation.3 . Отже, розпад урану приводить до нагромадження свинцю. Як виявилось, уранові руди справді завжди містять свинець.
Як зазначалось, великий заряд альфа-частинки зумовлює її виключно високу іонізуючу здатність. На своєму шляху вони іонізують мало не кожну зустрічну молекулу: 5000 пар іонів на EMBED Equation.3 траєкторії у повітрі. Якщо її початкова швидкість порядку EMBED Equation.3 , то EMBED Equation.3 -частинка практично повністю сповільнюється на відстані EMBED Equation.3 .
У випадку зовнішнього опромінення, EMBED Equation.3 -частинки для людського організму не становлять загрозливої небезпеки. Інша справа, коли вона потрапляє всередину живого організму. У нашому тілі пробіг альфа-частинки трохи більший ніж EMBED Equation.3 . Тому перебуваючи в ньому, вона найбільш деструктивно– концентровано пошкоджує найближчі клітини.
2. Бета ( EMBED Equation.3 )-випромінювання – це потік швидких електронів (або позитронів) , що випромінюються атомними ядрами під час їх радіоактивного розпаду. Поява EMBED Equation.3 -частинки пояснюється перетворенням одного з нейтронів ядра у протон за схемою (25.1.1) або одного з протонів у нейтрон та нейтрино EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 . (25.3.12)
Утворений протон або нейтрон затримується у ядрі ядерними силами, а бета-частинка, що виникла при цьому, випромінюється у навколишній простір. Оскільки бета-частинка має заряд, проходження її через будь-яке середовище супроводжується інтенсивною його іонізацією чи переведенням атомів у збуджений стан.
Характерною особливістю бета-розпаду є те, що іонізаційні втрати енергії зарядженої частинки із збільшенням швидкості зменшуються. Пояснюється це тим, що імпульс сили пропорційний часу дії, тому чим менший час взаємодії, тим менший імпульс, що передається електрону атома. Мають місце й інші процеси, наприклад взаємодія зарядженої частинки з ядром і тощо.
В принципі, позитрон EMBED Equation.3 і електрон EMBED Equation.3 однаково взаємодіють з речовиною. Однак, оскільки атоми мають електрони EMBED Equation.3 , то позитрон EMBED Equation.3 , гальмуючись, вступає з електроном EMBED Equation.3 в реакцію
EMBED Equation.3 . (25.3.13)
Внаслідок цієї реакції електрон і позитрон перетворюються в два гама-кванти. Цей процес називається анігіляцією. Втративши більшу частину своєї енергії, бета-частинка втрачає здатність до іонізації і стає звичайною вільною зарядженою частинкою, що поглинається іоном.
Ступінь іонізації середовища EMBED Equation.3 частинкою оцінюється величиною питомої іонізацієї, тобто кількістю пар іонів, що утворені нею у цьому середовищі на шляху довжиною в EMBED Equation.3 . Так, наприклад, питома іонізація повітря бета-частинкою з енергією EMBED Equation.3 складає величину порядку 70 пар іонів на 1 EMBED Equation.3 . Збільшення енергії EMBED Equation.3 частинки призводить до зменшення її іонізаційної здатності, а, отже, до зростанняя довжини пробігу, оскільки імовірність іонізації обернено пропорційна швидкості частинки.
Ступінь послаблення потоку бета-частинок при проходженні крізь речовину залежить від її густини EMBED Equation.3 , товщини поглинального шару та енергії частинки. Встановлено, що товщина повного послаблення EMBED Equation.3 потоку, після проходження якого бета-частинка втрачає здатність до іонізації, визначається за формулою
EMBED Equation.3 для EMBED Equation.3 , (25.3.14)
де EMBED Equation.3 – її масимальна енергія .
Крім втрат на іонізацію, частина енергії витрачається на гальмівне рентгенівське випромінювання, яке викликане гальмуванням EMBED Equation.3 -частинки під час співудару з атомом. Виникає воно тому, що згідно із законами класичної електродинаміки, будь-яка заряджена частинка прискорюючись випромінює електромагнітну хвилю. Тому його спектр неперервний від нуля до значення енергії, яке вона мала перед початком гальмування. Однак частина EMBED Equation.3 -потоку при цьому розсіюється. Це призводить до того, що його інтенсивність поступово зменшується із збільшенням товщини поглинального шару, а при деякому її значенні вони вбриються середовищем повністю.
Бета–розпади поділяють на:
а. Електронний EMBED Equation.3 розпад, під час якого ядро, що розпадається, випромінює електрон і антинейтрино EMBED Equation.3 . Цей вид розпаду відбувається за схемою:
EMBED Equation.3 . (25.3.15)
Перші спостереження EMBED Equation.3 розпаду наштовхнули на думку про те, що електрони входять в склад ядра. Однак подальший аналіз експериментальних значень радіуса ядра, його спіна та магнітного моменту свідчив, що електрони не є складовими частками ядер. Лише після відкриття нейтрона стало очевидним, що ядро складається із протонів та нейтронів, а електрони утворюються в процесі перетворення в ядрі нейтрона в протон.
б. Позитронний EMBED Equation.3 розпад, під час якого ядро, що
розпадається випромінює позитроні і нейтрино EMBED Equation.3 . Він відбувається за схемою
EMBED Equation.3 . (25.3.16)
Отже, при бета–розпадах масове число ядра не змінюється.
в. Електронне ( або EMBED Equation.3 захоплення), під час якого ядро
захоплює один із електронів свого атома (переважно із найближчої до ядра EMBED Equation.3 оболонки). EMBED Equation.3 розпад відбувається за схемою:
EMBED Equation.3 . (25.3.17)
3. EMBED Equation.3 Промені – це кванти електромагнітного випромінювання, що подібне до рентгенівських променів, але з ще меншою довжиною хвилі. Тому в електричному і магнітному полях вони не відхиляються. Гама-кванти випромінюються збудженими атомними ядрами під час анігіляції позитронів, під час гальмування електронів і під час радіаційних розпадів деяких елементарних часток.
У багатьох альфа- і бета-активних елементах, радіоактивний розпад супроводжується EMBED Equation.3 випромінюванням, внаслідок переходу заново утвореного ядра з одного (більш високого) енергетичного стану у другий (менш високий). Тому, на відміну від рентгенівських променів, що виникають внаслідок енергетичних змін атомів, EMBED Equation.3 промені мають ядерне походження. Під час гама-розпаду збуджене ядро випромінює EMBED Equation.3 квант електромагнітного поля за схемою
EMBED Equation.3 , (25.3.18)
тому воно є моноенергетичним. Електромагнітна природа, відсутність заряду та велика швидкість EMBED Equation.3 променів визначають значну проникну здатність їх у речовині.
Проходячи крізь речовину, гама-випромінювання взаємодіє з його атомами, що призводить до їх іонізації. До ...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора