Ядро любого атома, кроме атома легкого водорода, состоит из частиц – нуклонов двух типов: Z протонов и N нейтронов. Нейтрон был открыт в 1932 г. Джеймсом Чэдвиком, тогда же Карлом Андерсоном – позитрон. Ядро атома легкого водорода состоит из одного протона.

Протон открыт в является заряженной частицей – q p = +e . Масса протона составляет m p = 1.67265 10 –27 кг. В ядерной физике принято энергию частиц выражать в единицах энергии (эВ), для чего умножают массу на квадрат скорости света c 2 , тогда масса протона m p = 938.26 МэВ. Протон имеет спин, равный s = 1/2.

Нейтрон также имеет спин s = 1/2. Его масса близка к массе протона и составляет m n =1.67495 10 –27 кг или в единицах энергии (эВ) m p = 939.55 МэВ. Однако нейтрон не имеет электрического заряда. В свободном состоянии нейтрон является радиоактивным, он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон. При этом выделяется антинейтрино.

В составе ядра нейтрон стабилен.

Атом характеризуют зарядовым числом Z (которое равно числу протонов в ядре). Число Z определяет порядковый номер атома в таблице Менделеева. Массовое число A = N + Z показывает полное число нуклонов в ядре. Масса всех нуклонов A вносит основной вклад в массу всего атома. Ядро также называют нуклидом. Принятая схема нуклида имеет вид: Кроме нуклонов других частиц в ядре нет. Однако нуклоны не являются элементарными частицами: каждый из них состоит из трех кварков, о которых речь пойдет в другой лекции.

Атомы, ядра которых имеют одинаковые зарядовые числа Z и различные массовые числа A , имеют одни и те же химические свойства и называются изотопами. Изотопы одного и того же химического элемента различаются друг от друга лишь по числу нейтронов в ядре. Большинство веществ с атомами одного и того же Z представляют смесь различных изотопов. Так, водород, углерод и кислород имеют по 3 изотопа: – обычный водород, – дейтерий, – тритий; ; ; у олова существует 10 изотопов.

Атомы, ядра которых имеют одни и те же массовые числа A , называются изобарами . Изобары, т.е. ядра с различными Z , соответствуют ядрам атомов различных химических элементов.

В опытах Резерфорда по рассеянию α -частиц на атомах вещества было установлено, что ядра имеют конечный размер. С этого момента прошло много времени, однако до сих пор наиболее предпочтительными при определении размера ядра являются опыты по рассеянию частиц на атомных ядрах. Поскольку электроны испытывают только электростатическое взаимодействие с ядрами, то распределение заряда внутри ядра изучают с помощью рассеяния электронов. О распределении ядерной материи внутри ядра судят по рассеянию нейтронов, так как в этом случае взаимодействие между частицами сводится только к специфическому ядерному. Для того, чтобы ядро «почувствовало» налетающую частицу, учитывая массы, энергия электрона должна составлять не меньше 124 МэВ, а энергия нейтрона не меньше 8 МэВ. Эксперименты с электронами и нейтронами различных (но удовлетворяющих указанным условиям) энергий показали, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в его составе:

В ядрах со спином, большим или равным 1, действительно наблюдается отклонение от сферической формы. Такие ядра могут быть сжатыми или вытянутыми эллипсоидами вращения, при этом разница между их большой и малой осями никогда не превышает 20% и, как правило, существенно меньше. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус ядра таким образом: (13.3)

Константа R 0 ≈ 1.3·10 –15 м. Ее приблизительное значение связано с тем, что величина радиуса ядра, полученная по распределению ядерной материи, отличается от значения радиуса, полученного по распределению заряда. Это означает, что заряд и вещество распределены внутри ядра различным способом.

В рамках ядерной теории используют величину 1 ферми = 1 f = 10 –15 м.

Тогда радиус ядра равен .

Спином ядра I называется полный угловой момент ядра. Для ядра с массовым числом A он равен: (13.4)

В этом выражении первый член справа равен суммарному спиновому моменту нуклонов, а второй – суммарному орбитальному моменту нуклонов в ядре. Значения S i и l i определяются значениями соответствующих квантовых чисел: s p = s n = 1/2 и l = 0, 1, 2, ...

Магнитный момент ядра μ я складывается из собственных магнитных моментов протонов и нейтронов и орбитальных магнитных моментов протонов (нейтрон обладает нулевым орбитальным магнитным моментом при любом l ).

Итак, в состав ядра входят A нуклонов. Однако не все сочетания протонов и нейтронов образуют стабильные ядра. Это связано с существованием ядерных уровней энергии. Поскольку и протоны, и нейтроны являются фермионами (их спин s = 1/2) , то на каждом уровне может быть не больше двух протонов и двух нейтронов. Заполнение уровней идет по принципу минимизации системы объединившихся частиц. Например, рассмотрим два изотопа и . Первые два уровня у них (рис. 13.1) заполнены одинаково.

Рис. 13.1 Стабильный изотоп углерода и нестабильный изотоп бора

На последнем уровне в нуклиде расположен 12-ый нейтрон, в тоже время на предыдущем уровне до полного заполнения не хватает протона. Энергия системы из трех нейтронов и одного протона будет больше чем энергия системы двух протонов и двух нейтронов. Поэтому, изотоп не будет стабильным и довольно быстро распадется. В тоже время изотоп (содержащий 5 протонов и 6 нейтронов) является стабильным.

В легких ядрах (A < 20), как правило, число протонов и нейтронов одинаково (или отличается не единицу в случае ядер с нечетным числом нуклонов, причем число нейтронов обязательно больше числа протонов). В тяжелых ядрах доля нейтронов становится все больше. В таких ядрах помимо принципа минимизации энергии оказывается существенным кулоновское отталкивание протонов. В ядрах с числом протонов больше 10 это отталкивание настолько велико, что для устойчивости ядра эту силу необходимо чем-либо компенсировать. Между нейтронами действуют только ядерные силы притяжения. Поэтому увеличение числа нейтронов в составе ядра приводит к уравновешиванию сил, т.е. к стабильности ядра.

Ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Силы, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре – называются ядерными силами . Это самый сильный вид взаимодействия.

Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мn - (Мp + Мn).

Так как между массой и энергией существует связь , то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра.

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях. Ядерная реакция - это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления - это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235 U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса - 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.

Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

Это перспективные направления ядерной энергетики. Так как данную энергию можно применять в мирных целях. Примером тому служат Атомные электростанции. Морские корабли, ледоколы, работающие за счет ядерных установок.

24/2. Экспериментальное задание по теме «Кинематика»: проверка зави­симости времени движения шарика по наклонному желобу от угла наклона желоба (2-3 опыта).

В вашем распоряжении имеются желоб, линейка, шарик, секундомер и металлический цилиндр.

Установите один конец желоба на небольшой высоте Н (1-2 см) над поверхностью стола, а в конце желоба положите цилиндр. Измерьте проме­жуток времени, за который шарик, пущенный из состояния покоя с верхней точки желоба, достигнет цилиндра. Сделайте высоту верхней точки желоба равной 2Н и снова измерьте время движения шарика.

Подтверждают ли результаты опытов предположение о том,что время движения шарика уменьшилось в 2 раза при увеличении высоты верхней точки желоба вдвое?

25/1. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и методы их ре­гистрации. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы.

В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли УРАНА самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний, создают какое-то излучение. Подобно рентгеновским лучам, это излучение вызывало ионизацию воздуха и разряжало электроскоп. Дальнейшие исследования, проведенные Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри, показали, что такими же свойствами обладают излучения ТОРИЯ и открытых ими новых элементов - РАДИЯ и ПОЛОНИЯ. Явление самопроизвольного излучения получило название РАДИОАКТИВНОСТИ.

Классический опыт по определению состава

радиоактивного излучения был поставлен Резерфордом. Он поместил радиоактивный препарат на дно узкого свинцового канала, а выходивший из отверстия тонкий пучок лучей пропустил через магнитное поле. При проявлении фотопластинки, расположенной на пути лучей, было обнаружено три светлых пятна - места попадания лучей.

Таким образом, было установлено, что радиоактивное излучение состоит из трех частей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. Наиболее сильно отклонялась отрицательная компонента излучения (бета-лучи), положительная составляющая испытывала меньшее отклонение (альфа-лучи) и совсем не отклонялась третья часть лучей (гамма-лучи).

Исследования позволили выяснить природу этих излучений.

АЛЬФА-ЛУЧИ - это ядра атомов гелия, летящие со скоростью около 15000-30000 км/с. Они имеют положительный заряд и отклоняются магнитным полем влево (по рисунку). Из-за большой массы частиц отклонение это невелико. Альфа-частицы обладают низкой проникающей способностью. Лист бумаги задерживает их.

БЕТА-ЛУЧИ - это электроны, летящие со скоростью, близкой к скорости света. Они отклоняются магнитным полем вправо (по рисунку). Из-за маленькой массы отклонение бета-лучей во много раз больше, чем у альфа-частиц. Бета-лучи обладают более высокой проникающей способностью. Чтобы их задержать необходимо расположить на пути алюминиевую пластину.

ГАММА-ЛУЧИ - это электромагнитные волны очень маленькой длины (меньше, чем у рентгеновских лучей). Магнитные и электрические поля их не отклоняют. По свойствам гамма-лучи напоминают рентгеновские. Они обладают огромной проникающей способностью. Даже лист свинца толщиной 1 см не задерживает их полностью. Скорость распространения гамма-лучей такая же, как у других электромагнитных волн - 300 000 км/с.

Регистрируют ионизирующие излучения с помощью счетчика Гейгера, камеры Вильсона, пузырьковой камеры и метода фотоэмульсий. Счетчик Гейгера позволяет регистрировать электроны и гамма-кванты большой энергии. Альфа-частицы внутрь счетчика не попадают из-за низкой проникающей способности. В 1912 г. была изобретена камера Вильсона, позволяющая не только регистрировать частицы, но и наблюдать их траектории (треки). Помещая камеру в магнитное поле, можно было измерять отношение заряда частиц к массе и распознавать их.

Радиоактивное излучение губительно действует на живые организмы. Даже при небольшой мощности излучения может наступить лучевая болезнь и смерть. Воздействие излучения характеризуется ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ D, которая равна отношению поглощенной энергии Е ионизиру­ющего излучения к массе М облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в ГРЭЯХ (1 Гр) 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облучаемому веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Доза излучения 3 - 10 Гр, полученная за короткое время, является смертельной. На практике часто применяют другую единицу - РЕНТГЕН (1 Р). 1Р приблизительно равен 0.01 Гр.