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 Е_св (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 Е_св 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 E_св(Z,A)=zm_p+nm_n-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 e_a 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=E_n-E_m. (Е_n и Е_m — 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=a_k+a_l+…

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.