Ядерная физика

 

1.4 Радиоактивность. α, β, γ-излучения.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц. Этот процесс характерен лишь для нестабильных ядер. Радиоактивность бывает естественной (в природных условиях) и искусственной (при ядерных реакциях).

Если  обозначить через dN количество ядер, подвергшихся радиоактивному распаду за время dt, то dN=-λNdt, где λ – постоянная распада. Знак (-) взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование  дает:

N=N₀e^-2t – закон радиоактивного распада

где  N₀ – изначальное число ядер (t=0)

N – количество не распавшихся ядер в любой момент времени t.

Выражение определяет количество ядер, распавшихся за промежуток времени t.

Время, за которое распадается  половина всех имевшихся в начальный  момент ядер, называется периодом полураспада T.

   ( )

 – называется средним временем жизни ядра

Процесс радиоактивного распада сопровождается тремя видами излучения:

         1. α -  распад (в магнитном поле ведет себя так поток положительно заряженных частиц); α – распад-это дважды ионизированные атомы гелия (т.е. – ядра гелия) . Скорость  υ≈10⁷м/с.  Лист бумаги – защита  

Символическая запись ядерной реакции:           .  Пример:   ( )   Th – торий

        2.(β-) - распад (в магнитном поле ведет себя как поток отрицательно заряженных частиц). Символическая запись:  , где          – антинейтрино; е – электрон

 нейтрон, протон, электрон

             - подтверждено для свободных электронов.

0<υ<E_max – непрерывный спектр излучения электронов.

Пример:  ( ),    где Ра – протактиний, – антинейтрино;           е – электрон

 Кроме (β-) существует еще , так наз., - распад (позитронный распад)

Позитрон ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино.

  (свободный протон такую реакцию осуществить не может).

         Пример: , где – позитрон, ν –нейтрино (доказано в1956г.)

Участие в процессах распада нейтрино и антинейтрино диктуется законом сохранения момента импульса.

3. γ - лучи – на магнитное поле не реагируют. В виде самостоятельного радиоактивного излучения среди естественно-радиоактивных веществ не встречается. Е 10кэв÷5Мэв

 

1.5 Правила радиоактивного смещения

Если в процессе радиоактивного превращения  - лучи, то в таблице Менделеева происходит переход на 2 клетки вперед (к началу таблицы), если - распад, то на одну клетку дальше от начала таблицы Менделеева.

Правила смещения являются следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах – закон сохранения элементарных зарядов и закон сохранения массового числа.

В результате радиоактивного распада могут возникать нестабильные ядра и т.д. до образования стабильного элемента (радиоактивные семейства). Семейства называются по наиболее долго живущему по периоду полураспада родоначальнику семейства. Существует 4 радиоактивных семейства.

Торий    Рb

Нептуний    Bi  

(искусственно  получен. ядра)

Уран      Pb

Актиний    Pb

 

Свинец и  висмут  ( Рb   и   Bi ) – конечные элементы в радиоактивных семействах.

- семейство урана

- семейство тория

При ядерных  реакциях выполняются основные законы сохранения:

1. элементарного заряда;
2. числа нуклонов (в реакциях без античастиц);
3. энергии (полная энергия всех продуктов реакции не изменяется);
4. импульса и момента импульса

 

1.6 Источники радиации.

 

1. Перелет самолетом (в 25 раз выше уровня моря) экипаж!!!
2. Жители в горах ( в несколько раз больше)
3. Родон ( непроветриваемые помещения). Гранит, пемза, некоторые глиноземы, грунт. (>5000раз, Швеция и Финляндия). Фосфатные удобрения содержат уран.
4. Диагностика в медицине, рентгенография.
5. Ядерные взрывы, аварии атомных реакторов.
6. Добыча урановой руды – отходы.
7. Профессиональное облучение.
8. Шахтеры, курорты с родоном.
9. Отбеливание зубов (блеск) уран, свечение телевизора (практически не излучает), проверка багажа.

Экспозиционная доза облучения:    - отношение суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе к массе этого воздуха.

Единица измерения (устаревшая, но применяемая) Р(рентген)=2,58*10^-4

Биологический эквивалент рентгена - (Бэр) – такое же биологическое действие как и 1 рентгена.

 

 

1.7 Ядерные силы. Модель ядра.

 

Между нуклонами  действуют силы, во много раз большие  кулоновского отталкивания. r~10^-15м

Ядерные силы относятся к классу, так называемых, сильных взаимодействий.

Основные свойства:

1. Ядерные силы являются силами притяжения.
2. Ядерные силы – короткодействующие.
3. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость,

  , то есть они имеют  неэлектрическую природу.

4. Ядерным силам свойственно насыщение, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом соседей.
5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов ( образуется лишь при со направленных спинах протона и нейтрона).
6. Ядерные силы не являются центральными.

Модели ядра

1. Капельная (1936 г). Бор, Френкель. Капельная объяснила механизм ядерных реакций. Не смогла объяснить магические числа. Основа – аналогия между поведением молекул в капле (V-const, ρ-const).
2. Оболочечная (1949-50 гг). американец Геппер-Майер, немец Иенсен. Легкие и средние ядра описали. Распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим оболочкам, заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Объяснение: магические числа – полностью застроенные оболочки.
3. Синтез моделей (обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных  реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа, лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, чётности, странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

 

2.1 Закон сохранения энергии

Если  , , ,— полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

При образовании  более двух частиц соответственно число  слагаемых в правой части этого  выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc2 и кинетической энергии E, поэтому:

Разность суммарных  кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E3 + E4) − (E1 + E2) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция  сопровождается выделением свободной  энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.

Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение  свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции. Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями, поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

 

2.2 Закон сохранения импульса

Полный импульс  частиц до реакции равен полному  импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

 

2.3 Закон сохранения момента импульса

Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов (спинов) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов).

 

 

 

2.4 Другие законы сохранения

При ядерных  реакциях сохраняется электрический  заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.

при ядерных  реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.

при ядерных  реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число).

при ядерных  реакциях, которые протекают под  воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями[1].

при ядерных  реакциях, обусловленных сильными взаимодействиями, сохраняется изотопический спин. Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют.

2.5 Виды ядерных реакций

Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный  характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных  реакторах и ядерном оружии.

2.6 Запись ядерных реакций

Ядерные реакции  записываются в виде специальных  формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц. Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть, слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.