Атомное ядро
Atomic nucleus

Атомное ядро – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму близкую к сферической и диаметр ≈ 10 -12 см, что на четыре порядка меньше диаметра атома (10 -8 см). Плотность вещества в ядре – около 230 млн.тонн/см 3 .
Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов по рассеянию альфа-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных в Кембридже (Англия) под руководством Э. Резерфорда . В 1932 г. после открытия там же Дж. Чедвиком нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов
(В. Гейзенберг , Д.Д. Иваненко , Э. Майорана).
Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит ядро, причём левый верхний индекс этого символа показывает число нуклонов (массовое число) в данном ядре, а левый нижний индекс – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее 58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается . Это же ядро можно также обозначать 58 Ni, либо никель-58.

Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов, двигающихся со скоростью 10 9 -10 10 см/сек и удерживаемых мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения (область их действия ограничена расстояниями ≈ 10 -13 см). Протоны и нейтроны имеют размер около 10 -13 см и рассматриваются как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра можно приближённо оценить по формуле R ≈ (1.0-1.1)·10 -13 А 1/3 см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре. На рис. 1 показано как меняется плотность вещества (в единицах 10 14 г/см 3) внутри ядра никеля, состоящего из 28 протонов и 30 нейтронов, в зависимости от расстояния r (в единицах 10 -13 см) до центра ядра.
Ядерное взаимодействие (взаимодействие между нуклонами в ядре) возникает за счёт того, что нуклоны обмениваются мезонами. Это взаимодействие – проявление более фундаментального сильного взаимодействиямежду кварками, из которых состоят нуклоны и мезоны (подобным образом силы химической связи в молекулах – проявление более фундаментальных электромагнитных сил).
Мир ядер очень разнообразен. Известно около 3000 ядер, отличающихся друг от друга либо числом протонов, либо числом нейтронов, либо тем и другим. Большинство из них получено искусственным путём.
Лишь 264 ядра стабильны, т.е. не испытывают со временем никаких самопроизвольных превращений, именуемых распадами. Остальные испытывают различные формы распада – альфа-распад (испускание альфа-частицы, т.е. ядра атома гелия); бета-распад (одновременное испускание – электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино, а также поглощение атомарного электрона с испусканием нейтрино); гамма-распад (испускание фотона) и другие.
Различные типы ядер часто называют нуклидами. Нуклиды с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называют изотопами. Нуклиды с одинаковым числом нуклонов, но разным соотношением протонов и нейтронов называются изобарами. Лёгкие ядра содержат примерно равные количества протонов и нейтронов. У тяжёлых ядер число нейтронов примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Самое лёгкое ядро – ядро атома водорода, состоящее из одного протона. У наиболее тяжелых известных ядер (они получены искусственно) число нуклонов ≈290. Из них 116-118 протонов.
Различные комбинации количества протонов Z и нейтронов соответствуют различным атомным ядрам. Атомные ядра существуют (т.е. их время жизни t > 10 -23 c) в довольно узком диапазоне изменений чисел Z и N. При этом все атомные ядра делятся на две большие группы - стабильные и радиоактивные (нестабильные). Стабильные ядра группируются вблизи линии стабильности, которая определяется уравнением

На рис. 2 показана NZ-диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протонноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтронноизбыточные ядра). Цветом выделены атомные ядра, обнаруженные в настоящее время. Их около 3.5 тысяч. Считается, что всего их должно быть 7 – 7.5 тысяч. Протоноизбыточные ядра (малиновый цвет) являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β + -распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра (голубой цвет) также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате - -распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.
Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β + и β - -распада подвержены также α-распаду (желтый цвет) и спонтанному делению, которые становятся их основными каналами распада. Пунктирная линия на рис. 2 очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия B p = 0 (B p – энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия B n = 0 (B n – энергия отделения нейтрона) – справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~10 -23 – 10 -22 c) с испусканием нуклонов.
При соединении (синтезе) двух лёгких ядер и делении тяжёлого ядра на два более лёгких осколка выделяется большая энергия. Эти два способа получения энергии – самые эффективные из всех известных. Так 1 грамм ядерного топлива эквивалентен 10 тоннам химического топлива. Синтез ядер (термоядерные реакции) является источником энергии звёзд. Неуправляемый (взрывной) синтез осуществляется при подрыве термоядерной (или, так называемой, “водородной”) бомбы. Управляемый (медленный) синтез лежит в основе перспективного разрабатываемого источника энергии – термоядерного реактора.
Неуправляемое (взрывное) деление происходит при взрыве атомной бомбы. Управляемое деление осуществляется в ядерных реакторах, являющихся источниками энергии в атомных электростанциях.
Для теоретического описания атомных ядер используется квантовая механика и различные модели.
Ядро может вести себя и как газ (квантовый газ) и как жидкость (квантовая жидкость). Холодная ядерная жидкость обладает свойствами сверхтекучести. В сильно нагретом ядре происходит распад нуклонов на составляющие их кварки. Эти кварки взаимодействуют обменом глюонами. В результате такого распада совокупность нуклонов внутри ядра превращается в новое состояние материи – кварк-глюонную плазму

Состав ядра атома

В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра .
Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A : A = Z + N . Ядра химических элементов обозначают символом:
X – химический символ элемента.

Например, – водород,

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .

Ядерные силы

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными . Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.

Ядерные силы обладают следующими свойствами:

• обладают силами притяжения;
• является силами короткодействующими (проявляются на малых расстояниях между нуклонами);
• ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Дефект массы и энергия связи ядра атома

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра .

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов :

Разность масс называется дефектом масс . По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc 2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E св:

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

Ядерная энергетика

В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция и запущена в 1954 году в СССР, в городе Обнинске. Развивается строительство мощных атомных электростанций. В настоящее время в России 10 действующих АЭС . После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.

Преимущества АЭС:

• практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива;
• экологическая чистота при правильной эксплуатации.

Проблемы ядерной энергетики:

Атом является сложной системой, в состав которой входят определенные частицы. Английский физик Э. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. Основные положения ядерной модели атома.
1. Ядро имеет очень маленький размер (диаметр атома 10-10 м, диаметр ядра ~10-15 м).
2. Ядро имеет положительный заряд.
3. Почти вся масса атома находится в ядре.
Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.

Г. Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов.
Масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома. Массовое число атома (A) = Число протонов (Z) + Число нейтронов (N) A=Z+N
Протоны и нейтроны, входящие в состав любого ядра, не являются неделимыми элементарными частицами, а состоят из кварков.

Кварки, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь глюонами - переносчиками истинно сильного взаимодействия (оно в тысячи раз сильнее того, которое действует между протонами и нейтронами в ядре). В результате протоны и нейтроны оказываются очень сильно связанными системами, которые невозможно разбить на составные части.

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N). Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева от которых вверху записывают массовое число изотопа. Например: 12С- изотоп углерода с массовым числом 12.

Размеры атомного ядра зависят от их массового числа. Объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А1/3. Эффективный радиус R ядра определяется равенством: R = аА 1/3, где постоянная а составляет величину (1,1-1,4) х 10-13 см в зависимости от того, в каком физическом эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что R меняется от 10-13 до 10-12 см. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 1014 г/см3. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии. Нуклоны в ядре подвижны. В ядре существуют силы поверхностного натяжения.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Между одинаково заряженными протонами действуют электростатические силы отталкивания, однако ядро не "разлетается" на отдельные частицы, так как между протонами и нейтронами внутри ядра действуют ядерные силы - силы притяжения, намного превосходящие электростатические. Ядерные силы по величине в 100 раз превосходят электростатические и называются сильным взаимодействием (это обменное взаимодействие).
Ядерные силы проявляются лишь на расстояниях внутри ядра, поэтому считаются короткодействующими, в то время как электростатические силы - дальнодействующими.

Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).

Свойства ядерных сил:

1. Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.

2. Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10-13см. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.

3. Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.

4. Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.

5. Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.

6. Ядерные силы нецентральные.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР И ДЕФЕКТ МАСС

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.
Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.

Е связи = - А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image003_73.gif" width="163" height="38">
Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра (из справочника)
Z – число протонов в ядре
m p – масса покоя свободного протона N – число нейтронов в ядре
m n – масса покоя свободного нейтрона
Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов. Энергия взаимодействия нуклонов велика; она называется внутриядерной, или ядерной.

ЯДЕРНЫЕ ЕАКЦИИ

Я́дерная реа́кция - процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссальной энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах - например, радиоактивный распад - обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10−13 см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).

При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия. Подобные процессы называют ядерными реакциями.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т. е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс mi продуктов распада, т. е. неравенство:

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными.

Радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис 1 . изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер . Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия DIV_ADBLOCK320">

Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы).

Альфа-распад . Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия.

Общая схема: z ХA = 2He4 + z-2 Y A-4.

Примером такого процесса может служить α-распад радия:

α-излучение обладает наименьшей проникающей способностью. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров.

Радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться в разных возбужденных состояниях. α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами..gif" alt="http:///courses/op25part2/content/javagifs/-9.gif" width="12" height="48"> + .

β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным.

z ХA = -1 e0 + z+1 Y A.

Типичным примером β-распада может служить превращение изотопа тория возникающего при α-распаде урана в палладий

β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом . Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β+-распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино .

Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда . Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

Гамма-распад. В отличие от α- и β- радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Обладают наибольшей проникающей способностью γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада.

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада

Экспоненциальному закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

где N0 – число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а – постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени).

Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра = 1/,

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e :

Величина T называется периодом полураспада . За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.

На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным.

Применение.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Дополнительное чтение.

Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфорд открыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (-частицы) и отрицательно заряженные частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940 г. и.

В процессе β-распада наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом . Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде:

Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image035_8.gif" width="576 height=288" height="288">

Отдельно можно выделить реакции на γ-фотонах (ядерный фотоэффект)

Для дополнительного чтения

Ядерные реакции обозначают следующим образом

a1 + a2 http://pandia.ru/text/77/503/images/image037_7.gif" width="140" height="122">

Начальный этап реакции называется входным каналом . Различные возможные пути протекания реакции на втором этапе называют выходными каналами .

Если в конечном состоянии образуются две частицы

a + A 100%" style="width:100.0%">

p + 14N 14N* + p

p + 14N 14O + n

p + 14N 13N + p + n

p + 14N 8p + 7n

В приведенном примере взаимодействия протона с ядром 14N наблюдаются следующие выходные каналы реакции.
Упругое рассеяние - ядерная реакция при которой тип частиц и их квантовые состояния не меняются в результате взаимодействия (а).
В реакции (б) в конечном состоянии образуются те же частицы, что и в начальном состоянии, однако ядро 14N образуется в возбужденном состоянии. Такой процесс называется процессом неупругого рассеяния.
В реакциях (в-е) образуются частицы, которых не было в начальном состоянии.
Реакции типа (в), когда в конечном состоянии образуется http://pandia.ru/text/77/503/images/image038_7.gif" alt="бета" width="10" height="20 src=">+-радиоактивными.
В реакции (д) в конечном состоянии образуются три частицы.
При достаточно больших энергиях налетающей частицы возможен полный развал ядра на составляющие его отдельные нуклоны (е).
Мы привели классификацию ядерных реакций по типу частиц, образующихся в выходном канале. Ядерные реакции также классифицируются по типу частиц во входном канале..gif" alt="arrow" width="21" height="17 src="> 16F + n
+ 14N http://pandia.ru/text/77/503/images/image031_9.gif" alt="гамма" height="20 src=">

Реакции под действием http://pandia.ru/text/77/503/images/image031_9.gif" alt="гамма" height="20"> + 14N 13N + n
e-+ 14N http://pandia.ru/text/77/503/images/image036_7.gif" alt="arrow" width="21" height="17 src="> 13C + 17F

Если в качестве налетающих частиц используются заряженные частицы, они должны иметь достаточную кинетическую энергию, для того чтобы преодолеть кулоновское отталкивание ядра и попасть в область действия ядерных сил. (Если энергия заряженной частицы меньше высоты кулоновского барьера, вероятность ядерной реакции будет сильно подавлена.) Пучки частиц необходимых энергий легко получаются на современных ускорителях. Если энергия частицы недостаточна для преодоления кулоновского барьера, то она будет испытывать упругое рассеяние в кулоновском поле ядра, описываемое формулой Резерфорда. Для исследования характеристик атомных ядер в области малых энергий используют нейтроны, которым не нужно преодолевать кулоновский барьер. Источниками интенсивных потоков нейтронов являются ядерные реакторы .

Деление ядер урана.

Цепная ядерная реакция.

· Деление ядер урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.

Атом урана, поглотив нейтрон, возбуждается, деформируется (ядро вытягивается, ядерные силы ослабевают при увеличении расстояний между нуклонами) и разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image040_8.gif" alt="LaTeX: ~^{235}_{92}U" width="40 height=24" height="24"> выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии в окружающую среду.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении . Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

http://pandia.ru/text/77/503/images/image040_8.gif" alt="LaTeX: ~^{235}_{92}U" width="40" height="24 src=">, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image044_7.gif" alt="LaTeX: ~^{238}_{92}U" width="40" height="24"> (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах с кинетической энергией в интервале 0,5 эв - 1 Мэв. , в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией более 1 МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

Изотоп урана β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния тоже радиоактивен, его период полураспада около 2 дней.

Изотоп плутония относительно стабилен, период полураспада 24000 лет(в результате α-распада образуется )..gif" alt="LaTeX: ~^{239}_{94}Np" width="48" height="24"> может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай, тогда как в реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов). Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо рассмотреть еще одно понятие - коэффициент размножения нейтронов.

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана Критическая масса" href="/text/category/kriticheskaya_massa/" rel="bookmark">критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O(дейтерий и кислород). Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерный реактор. Термоядерный синтез.

Итак, перед тем как мы с вами поведем речь, о термоядерных и ядерных реакциях, я предлагаю вам немного проанализировать и

сравнить их.

Термоядерная реакция-реакция ядерного синтеза, в которой из более легких элементов(тяжелые изотопы водорода –дейтерий и тритий)образуются белее тяжелые-гелий.

Ядерной же реакцией называют реакцию цепного ядерного распада, в которой из более тяжелых элементов образуются более легкие.

На практике разница состоит еще в том, что реакция ядерного распада сравнительно легко управляется, что нельзя сказать о термоядерной реакции, поэтому кроме военного значения имеет и мирное - атомные электростанции .

Над получением же дешевого способа управления реакцией термоядерного синтеза ученые бьются до сих пор, и пока безрезультатно. Если же говорить про их сходства, то при обеих реакциях выделяется большое количество теплоты, но при термоядерном синтезе все таки больше.

Ядерный реактор

Ядерный реактор-это установка, содержащая ядерное топливо, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления.

Принцип действия атомного реактора

При распаде урана U235 происходит выделение тепла, сопровождаемое выбросом двух-трех нейтронов. По статистическим данным – 2,5. Эти нейтроны сталкиваются с другими атомами урана U235. При столкновении уран U235 превращается в нестабильный изотоп U236, который практически сразу же распадается на Kr92 и Ba141 + эти самые 2-3 нейтрона. Распад сопровождается выделением энергии в виде гамма излучения и тепла.

Это и называется цепная реакция. Атомы делятся, количество распадов увеличивается в геометрической прогрессии, что в конечном итоге приводит к молниеносному, по нашим меркам высвобождению огромного количества энергии – происходит атомный взрыв, как последствие неуправляемой цепной реакции.

Ядерные ректоры бывают на быстрых и медленных нейтронах:

1. Реактор на быстрых нейтронах - ядерный реактор, использующий для поддержания цепной ядерной реакции нейтроны с энергией > 105 эВ. Реакторы существенно различаются по спектру нейтронов - распределению нейтронов по энергиям, а, следовательно, и по спектру поглощаемых (вызывающих деление ядер) нейтронов. Если активная зона не содержит легких ядер, специально предназначенных для замедления в результате упругого рассеяния, то практически всё замедление обусловлено неупругим рассеянием нейтронов на тяжелых и средних по массе ядрах. При этом большая часть делений вызывается нейтронами с энергиями порядка десятков и сотен кэВ. Такие реакторы называются реакторами на быстрых нейтронах.

2. Реактор на медленных (тепловых) нейтронах - ядерный ректор, использующий для поддержания цепной ядерной реакции нейтроны тепловой части спектра энергии - «теплового спектра» . Использование нейтронов теплового спектра выгодно потому, что сечение взаимодействия ядер урана-235 с нейтронами, участвующих в цепной реакции, растёт по мере снижения энергии нейтронов, а ядер урана-238 остаётся при низких энергиях постоянным. В результате, самоподдерживающаяся реакция при использовании природного урана, в котором делящегося изотопа 235U всего 0,7%, невозможна на быстрых нейтронах (спектра деления) и возможна на медленных (тепловых).

Простые соображения показывают, что деление урана на два осколка должно сопровождаться выделением огромной энергии. Поэтому при делении ядра урана на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Всего при делении ядра урана, содержащего более 200 нуклонов, должна выделяться энергия порядка 200 МэВ.

Основная часть энергии деления выделяется в форме кинетической энергии осколков деления и нейтронов. Часть энергии выделяется в виде гамма излучения.

Схема процессов в ядерном реакторе: (при использовании замедлителя реакции)

http://pandia.ru/text/77/503/images/image055_6.gif" width="39" height="25">Основные элементы ядерного реактора:

1) ядерное горючее (, и др.);

2) замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, бериллий, оксид бериллия и др.);

3) теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);

4) Устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора, стержни, содержащие кадмий или бор – вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ-излучение и нейтроны. Оболочку выполняют из бетона с железным наполнителем.

Нейтронный захват - вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро:

(A , Z ) + n → (A +1, Z ) + γ.

Нейтрон может приблизиться к ядру даже при околонулевой кинетической энергии, так как является электрически нейтральным, в отличие от положительно заряженного протона, который может быть захвачен лишь при достаточно большой энергии, позволяющей преодолеть электростатическое отталкивание.

Реакторы на быстрых нейтронах:

Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image051_1.jpg" width="377" height="334">

Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A . Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций , так как они могут протекать только при очень высоких температурах . Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой ,5 состояние тела. В мире не существуют такие материалы, которые смогли бы удержать такие температуры.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

Типы реакций:

1)Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий:

2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток - выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:

http://pandia.ru/text/77/503/images/image059_6.gif" alt="Скругленный прямоугольник: Схема реакции дейтерий-тритий" width="248" height="93">

2)Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2H + 3He = 4He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nT τ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

3)Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят:

Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

§ Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 108 K (для реакции D-T).

§ Соблюдение критерия Лоусона:

n τ > 1014 см−3·с (для реакции D-T),

где n - плотность высокотемпературной плазмы, τ - время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Элементарная частица – мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); по этой причине их называют субъядерными.

Спин (от англ. spin - вертеться, вращение) - собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.(S )

Античастица - частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином , но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия.

Классификация элементарных частиц

На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы - фермионы (s=1/2ħ), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s=1ħ).

В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это - лептоны: электрон e - , мюон μ- , таон τ- , нейтрино электронное νe, нейтрино мюонное νμ, и нейтрино таонное ντ. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы.

Остальные 6 элементарных частиц - кварки - существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам . Кварки и антикварки - частицы, обладающие сильным взаимодействием.

Типы классификации:

По величине спина

· бозоны - частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны)

· фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино)

По видам взаимодействий

Составные частицы

· адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на

мезоны - адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, - протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

· лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

· кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

· калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

o фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

o восемь глюон ов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

o три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

o гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных типов взаимодействий.

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели атома, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы - ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов - протонов и нейтронов .

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m . В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 6.5.1.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом низкого давления на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10 -19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 -22 . Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона , по современным измерениям, равна m p = 1,67262∙10 -27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной массы атома углерода с массовым числом 12:

Следовательно, m p = 1,007276 а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2 . Так как 1 эВ = 1,60218·10 -19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов .

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование - частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице - нейтрон . Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 -13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Однако идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Джеймсом Чедвиком заняться ее поиском. Через 12 лет, в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 6.5.2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10-20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Ирен - дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной - порядка 50 МэВ.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 6.5.2 изображен счетчик Гейгера , предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона , в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100-150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона - частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон - это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд.

По современным измерениям, масса нейтрона m n = 1,67493∙10 -27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д.Д Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами .

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze , где e - элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A :

Ядра химических элементов обозначают символом , где X - химический символ элемента. Например,

Водород, - гелий, - углерод, - кислород, - уран.

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами . У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода их три: - обычный водород, - дейтерий и - тритий. У углерода - 6 изотопов, у кислорода - 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Делимо ли атомное ядро? И если да, то из каких частиц оно состоит? На этот вопрос пытались ответить многие физики.

В 1909 г. британский физик Эрнест Резерфорд вместе с немецким физиком Гансом Гейгером и физиком из Новой Зеландии Эрнстом Марсденом провёл свой известный эксперимент по рассеянию α-частиц, результатом которого стал вывод о том, что атом вовсе не неделимая частица. Он состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Причём, несмотря на то, что размер ядра примерно в 10 000 раз меньше размера самого атома, в нём сосредоточено 99,9% массы атома.

Но что из себя представляет ядро атома? Какие частицы входят в его состав? Это сейчас мы знаем, что ядро любого элемента состоит из протонов и нейтронов , общее название которых нуклоны . А в начале ХХ века после появления планетарной, или ядерной, модели атома, это было загадкой для многих учёных. Выдвигались разные гипотезы и предлагались разные модели. Но правильный ответ на этот вопрос снова дал Резерфорд.

Открытие протона

Опыт Резерфорда

Ядро атома водорода – это атом водорода, из которого удалили его единственный электрон.

К 1913 г. были вычислены масса и заряд ядра атома водорода. Кроме того, стало известно, что масса атома любого химического элемента всегда делится без остатка на массу атома водорода. Этот факт навёл Резерфорда на мысль, что в любое ядро входят ядра атомов водорода. И ему удалось доказать это экспериментально в 1919 г.

В своём опыте Резерфорд поместил источник α-частиц в камеру, в которой был создан вакуум. Толщина фольги, закрывавшей окно камеры, была такой, что α-частицы не могли выходить наружу. За окном камеры располагался экран, на который нанесли покрытие из сернистого цинка.

Когда камеру начинали заполнять азотом, на экране фиксировались световые вспышки. Это означало, что под воздействием α-частиц из азота выбивались какие-то новые частицы, без труда проникавшие через фольгу, непроходимую для α-частиц. Оказалось, что неизвестные частицы имеют положительный заряд, равный по величине заряду электрона, а их масса равна массе ядра атома водорода. Эти частицы Резерфорд назвал протонами .

Но вскоре стало понятно, что ядра атомов состоят не только из протонов. Ведь если бы это было так, то масса атома равнялась бы сумме масс протонов в ядре, а отношение заряда ядра к массе было бы величиной постоянной. На самом деле, это справедливо только для простейшего атома водорода. В атомах других элементов всё по-другому. К примеру, в ядре атома бериллия сума масс протонов равна 4 единицам, а масса самого ядра равна 9 единицам. Значит, в этом ядре существуют и другие частицы, обладающие массой в 5 единиц, но не имеющие заряда.

Открытие нейтрона

В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте Боте и Ханс Беккер во время эксперимента обнаружили, что излучение, возникающее при бомбардировке атомов бериллия α-частицами, имеет огромную проникающую способность. Спустя 2 года английский физик Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда, выяснил, что даже свинцовая пластинка толщиной 20 см, помещённая на пути этого неизвестного излучения, не ослабляет и не усиливает его. Оказалось, что и электромагнитное поле не оказывает на излучаемые частицы никакого воздействия. Это означало, что они не имеют заряда. Так была открыта ещё одна частица, входящая в состав ядра. Её назвали нейтроном . Масса нейтрона оказалась равной массе протона.

Протонно-нейтронная теория ядра

После экспериментального открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг, независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную теорию ядра, которая дала научное обоснование состава ядра. Согласно этой теории ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Их общее название - нуклоны.

Общее число нуклонов в ядре обозначают буквой A . Если число протонов в ядре обозначить буквой Z , а число нейтронов буквой N , то получим выражение:

A = Z + N

Это уравнение называется уравнением Иваненко-Гейзенберга .

Так как заряд ядра атома равен количеству протонов в нём, то Z называют также зарядовым числом . Зарядовое число, или атомный номер, совпадает с его порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева.

В природе существуют элементы, химические свойства которых абсолютно одинаковы, а массовые числа разные. Такие элементы называются изотопами . У изотопов одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов.

К примеру, у водорода три изотопа. Все они имеют порядковый номер, равный 1, а число нейтронов в ядре у них разное. Так, у самого простого изотопа водорода, протия, массовое число 1, в ядре 1 протон и ни одного нейтрона. Это простейший химический элемент.

Протий

У второго изотопа, дейтерия, массовое число равно 2. Ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.

Дейтерий

Третий изотоп водорода – тритий. В его ядре 1 протон и 2 нейтрона.

Тритий

Некоторые химические элементы имеют одинаковое количество нуклонов в ядре, но разное количество протонов и нейтронов. Такие элементы называются изобары .

Протонно-нейтронная теория ядра связала строение ядер элементов с устройством периодической системы Менделеева. Её правильность подтвердили дальнейшие научные исследования в области ядерной физики.