Радиоактивные превращения ядер. Реакция ядерного деления. Прохождение ядерного излучения через вещество.

Вопросы лекции:
1.Состав ядра, характеристики атомных ядер, нуклиды, изотопы. .Энергия связи атомного ядра, удельная энергия связи, масса ядра, ядерные силы, свойства ядерных сил.
2.Явление радиоактивности. Основные законы радиоактивного распада.
3.Физические основы действия радиоактивного излучения на вещество: передача энергии, ионизация. Пробег ядерного излучения в веществе.

1.Состав ядра, характеристики атомных ядер, нуклиды, изотопы. .Энергия связи атомного ядра, удельная энергия связи, масса ядра, ядерные силы, свойства ядерных сил.

Характеристики ядер
Все вещества окружающей нас природы, как простые, так и сложные, состоят из мельчайших частиц, называемых атомами.

Атом - частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющегося носителем его химических свойств. Каждому элементу соответствует определенный род атома.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов (е), образующих электронную оболочку вокруг ядра. В целом атом электрически нейтрален. Размер его порядка 10-8 см, размер ядра - порядка 10-13 см.
Ядро состоит из положительно заряженных протонов (р) и нейтральных нейтронов (n) связанных между собой огромными силами, протоны и нейтроны в ядре называются нуклидами.
Протон - устойчивая элементарная частица с массой равной 1,00758 а.е.м. (атомная единица массы). В ядерной физике в качестве атомной единицы массы принимают 1/16 массы атома изотопа кислорода, ядро которого содержит 16 нуклонов. Эта величина называется атомной единицей массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1,66 10-27 кг, которая примерно в 1840 раз больше массы электрона, что в абсолютном выражении составляет 1,6725 10-27 кг. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.
e = 1 х 6 10-19 Кл
В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в электронной оболочке (k)
. q=ke или q=ze

Атомный номер (Z) равен числу протонов в ядре. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковый атомный номер.
Протон и нейтрон имеют приблизительно одинаковую массу,
mp = mn =1836,1 me

me = 9,11 10-31 кг

Масса атома определяется в основном массой нуклидов в ядре.
Нейтрон электрически нейтральная частица, масса которой равна 1,00898 а.е.м., то есть она так же, как и у протона, примерно равна 1 а.е.м. Нейтрон сам по себе не стабилен. Находясь в свободном состоянии, он испускает электрон и антинейтрино и превращается в протон. Период полураспада нейтронов составляет 12,8 мин.
В следствии своей электрической нейтральности нейтрон не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения.
Массовое число (А) атома равно числу нуклидов в ядре.
Нуклоны - разновидность атомов с данным массовым числом и атомным номером. Массовое число нуклида указывается вверху слева от символа химического элемента; атомный номер элемента либо не указывается, либо записывается внизу слева от символа элемента.
Например, нуклид кобальта записывается
(27-протонов и 60-27=23 нейтронов)
нуклиды стронция и цезия

Изотопы - это атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа например

Энергия связи атомного ядра
Ядра атомов состоящие из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов. Так как положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, устойчивость ядер может быть обеспечена лишь в том случае, если между частицами, входящими в состав ядра, одновременно будут действовать и силы притяжения.
Каждый нуклон в ядре взаимодействует только со своими ближайшими соседями. В следствии этого внутри ядра в пределах расстояния около 10-13 см ядерные силы практически остаются постоянными (насыщенными). На границе же ядра они уменьшаются до нуля. Следовательно, силы взаимодействия короткодействующие. В ядре ядерные силы во много раз превосходят электрические силы отталкивания между протонами, в противном случае ядра не могли бы существовать, так как электрическое отталкивание между протонами разрушило бы их.
Носителями сил ядерного взаимодействия являются p-мезоны (пионы). Они открыты в 1947 г. в космическом излучении, а предсказаны в 1935 г. японским физиком Юкава. Пионы - группа из трех нестабильных элементарных частиц: двух заряженных (p+ и p- ) и одной нейтральной (p0). Пионы примерно в семь раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов, то есть обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона, в связи с чем и были названы мезонами (от греч. mesos - средний, промежуточный).
Среднее время жизни пионов t = 10-8 - 10-16 c.
Масса p+-мезона и p--мезона ровна
mp+ = mp- = 273,2 mе; mp0 = 264,2 mе .
Длинна пробега p-мезона равна l = 3 м.
p-мезоны распадаются по схеме:
- нейтрино;
- антинейтрино;
g - g-квант.
В ядре все время идут виртуальные процессы превращений p-мезонов по приблизительной схеме:




Таким образом нуклон окружен облаком p-мезонов, образующих поле ядерных сил.
Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, то есть затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи.
Массу ядра атома гелия можно рассчитать по формуле
mя = mp Np + mn Nn
где: mя - масса ядра;
mp - масса протона;
Np - количество протонов;
mn - масса нейтрона;
Nn - количество нейтронов.
mя = 1,00758 х 2 + 1,00898х 2 = 4,03312 а.е.м.
Масса ядра гелия из периодической таблицы Менделеева 4,0026. Как видно масса ядра гелия оказывается меньше массы своих составных частей, взятых в отдельности 4,03312-4,0026=0,03052 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток масы). Разница между массой ядра рассчитанной и массой ядра фактической называется дефектом массы.
Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько выделилось энергии при образовании ядра из отдельных нуклидов. Этот расчет можно привести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, разработанного А.Эйнштейном:

E = m2C
где: E - энергия, эрг;
m - масса, г;
С - скорость света, равная 3 1010 см/с.
В соответствии с этим законом масса и энергия представляют собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, то есть любому изменению массы Dm системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии DE:

DE = Dm C2
Отсюда следует вывод, что при образовании ядра должна выделяться энергия. Соответственно, такое количество энергии необходимо затратить для разделения ядра на составляющие его нуклоны.
Важнейшей величиной, характеризующей прочность ядра, является энергия связи ядра.
Энергией связи ядра называется работа, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.
Eсв = Dm C2
Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

В системе СИ единицей энергии является джоуль. Для ядерной физики эта единица велика, поэтому введена другая единица - электронвольт. Электронвольт равен энергии, которую приобретает электрон при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В.
1 эВ = 1,6 10-19 дж;
103 эВ = 1 КэВ (килоэлектровольт)
106 эВ 1 МэВ (мегаэлектровольт).
Как видно из графика, стабильными являются ядра химических элементов находящихся в средней части таблицы Менделеева.
Энергетически выгодны процессы:
1) деление тяжелых ядер;
2) синтез (слияние) легких ядер.

2.Явление радиоактивности. Основные законы радиоактивного распада.

Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента из основного или возбужденного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер называют радиоактивностью. А такие превращения ядер и ядра или соответствующие атомы называют радиоактивными.
Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение существовало на земле за долго до зарождения жизни, присутствовала в космосе и участвовала в зарождении самой Земли.
В первые радиоактивность обнаружил в 1896 г. А.Беккерель. Из его открытия следовал важный вывод: ядро не является простейшей частичкой вещества, неизменной и недоступной внешнему воздействию. В 1919 г. Э.Резерфорд впервые разрушил атомное ядро и превратил один элемент в другой. В 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри получили первые искусственные радиоактивные изотопы.
Было открыто несколько видов радиоактивного распада ядер. Выберем для примера ядра висмута (Bi) и посмотрим, в ядра каких элементов они смогут превратиться в результате радиоактивного распада.
В ядре, пересыщенном нейтронами, один из них превращается в протон, и при этом из ядра вылетают электрон и антинейтрино (Антинейтрино - элементарная частица, которая в отличие от электрона не имеет ни массы покоя, ни заряда). В результате образуется ядро соседнего элемента, заряд которого будет на единицу больше, а массовое число останется прежним. Такой вид радиоактивности был назван b--распадом - электронным распадом. Это превращение изображается так:
213 213 0 0~
Bi ® Po + е + u (Поладий)
83 84 -1 0
или -
213 213
Bi ® Po
83 84
Наоборот, в ядре с недостатком нейтронов происходят превращения, которые ведут к уменьшению заряда ядра. В этом случае число возможных типов распада значительно больше. Например, протон может превратиться в нейтрон с испусканием из ядра позитрона (антиэлектрона с положительным зарядом) и нейтрино -позитронный или -распад...