Содержание предыдущей лекции Строение атома Вынужденное излучение. Принцип

Содержание предыдущей лекции Строение атома Вынужденное излучение. Принцип работы квантового генератора. Элементы квантовой статистики Элементы зонной теории. Энергетические зоны в кристаллах. Заполнение зон: металлы, диэлектрики, полупроводники. Понятие о квантовых статистиках Бозе Эйнштейна и Ферми Дирака. Функции распределения. Электронный Ферми газ в металле. Уровень Ферми. Электропроводность металлов. Явление сверхпроводимости. 1

Контрольный вопрос Уровень Ферми соответствует: а) минимальной энергии электронов при Т = 0 К, б) максимальной энергии электронов при Т = 0 К, в) средней энергии электронов при Т = 0 К. Графики зависимости функции распределения Ферми Дирака f (E) от энергии Т=0 К для все состояния заняты для все состояния свободны б) максимальной энергии электронов при Т=0 К 2

Содержание сегодняшней лекции Строение атомного ядра Строение атомных ядер. Энергия связи. Взаимодействие нуклонов в ядре, свойства и природа ядерных сил. Естественная и искусственная радиоактивности. Закон радиоактивного распада. Правила смещения , , излучения. Ядерные реакции. Реакции деления и синтеза. 3

Строение атомных ядер Все ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов. Атомное (зарядовое) число Z – число протонов в ядре. Нейтронное число N – число нейтронов в ядре. Массовое число A = Z + N – число нуклонов (нейтронов и протонов) в ядре. 4

Строение атомных ядер Обозначение ядра Массовое число Химический символ элемента Зарядовое число ядро железа с 26 протонами и 30 нейтронами. “железо 56”. 5

Строение атомных ядер Заряд и масса ядра Заряд протона положителен и равен по величине заряду электрона. Электрическая нейтральность нейтрона. Масса протона примерно в 1836 больше массы электрона. Близкие массы протона и нейтрона. Атомная единица массы (а. е. м. ) 1/12 массы одного атома изотопа 12 C, 1 а. е. м. = 1, 660539 × 10 -27 кг. 6

Строение атомных ядер Заряд и масса ядра 12 C - меньшая энергия покоя, чем у шести протонов и шести нейтронов по отдельности. Соотвествие меньшей энергии покоя меньшей массе связанной системы (ER = mc 2). Связь избытка массы индивидуальных частиц с энергией связи при формировании ядра атома их этих частиц. Одна атомная единица массы Мэ. В, где Возможность выразить массу в Mэ. В/c 2. 7

Строение атомных ядер Размер и строение ядра Эксперименты Резерфорда: рассеивание положительно заряженных частиц положительно заряженными ядрами металла. Зависимость расстояния d, на которое частица сближается с ядром, от кулоновской силы отталкивания. m - масса частицы, v ее исходная скорость, Z атомное число ядер атомов мишени. Радиус ядра не превышает 10 14 м = 10 ферми. 8

Строение атомных ядер Размер и строение ядра Резерфорд: каждое ядро должно содержать A - Z нейтральных частиц (нейтронов). 1932: английский физик Джеймс Чедвик (1891 1974) – открытие нейтрона (Нобелевская премия). 9

Строение атомных ядер Размер и строение ядра Плотная сферическая упаковка нуклонов в ядре. Аналогия между ядром и капелькой жидкости, в которой плотность капельки не зависит от ее размера. 10

Взаимодействие нуклонов в ядре Очень маленькое расстояние между протонами в ядре очень большие кулоновские силы отталкивания. Очень большие и короткодействующие (около 2 фм = 2 10 15 м) ядерные силы притяжения между любыми нуклонами. Доминирование ядерных сил притяжения над кулоновскими силами отталкивания в пределах ядра (на коротких расстояниях) стабильность ядра. Эксперименты по рассеянию частиц и изучение энергии связи ядра – доказательство короткодействия ядерных сил. Глубина потенциальной ямы в ядре от 40 дo 50 Mэ. В. 11

Взаимодействие нуклонов в ядре Основные свойства ядерных сил, ответственных за стабильность ядер: • силы притяжения и самые большие силы в Природе, • короткодействующие силы, быстро убывающие до нуля на расстояниях между нуклонами, превышающих несколько ферми, • зависят от относительной ориентации спинов нуклонов, • не зависят от заряда взаимодействующих нуклонов. 12

Взаимодействие нуклонов в ядре Ядерные силы обеспечение существования примерно 270 стабильных ядер. Нестабильность сотен других ядер. График зависимости числа нейтронов N от aтомного числа Z для ряда стабильных ядер. Стабильные ядра Линия стабильности Число нейтронов N Легкие стабильные ядра (Z < 20) – равные числа протонов и нейтронов N = Z. Тяжелые стабильные ядра – число нейтронов > числа протонов. Z > 20: отклонение линии стабильности вверх от линии, соответствующей N = Z. Число протонов Z 13

Взаимодействие нуклонов в ядре Z > 20: рост числа протонов, Число нейтронов N кулоновские силы отталкивания разрушают ядро. Условие стабильности ядра – больше нейтронов (действие только ядерные силы притяжения). Большие Z (> 83) : кулоновское отталкивание между протонами не может компенсироваться притяжением большого количества нейтронов. Атомное число Z Элементы, содержащие более 83 протонов, не обладают стабильными ядрами. 14

Энергия связи ядра Общая масса ядра MA меньше, чем сумма масс входящих в него нуклонов. Масса мера энергии. Общая энергия связанной системы (ядра) меньше, чем суммарная энергия отдельных нуклонов. Энергия связи энергия, необходимая для распада ядра на составляющие его компоненты. Eсв – энергия связи, mp – масса протона, mn – масса нейтрона. Все массы выражены в атомных единицах массы. 15

Энергия связи ядра График зависимости энергии связи в расчете на один нуклон Eсв/A от массового числа A для различных стабильных ядер. Энергия связи на одну частицу, Мэ. В Максимумы на кривой близки к A = 60. А>60, A< 60: Eсв/A не столь велики, как у тех, что соответствуют середине периодической таблицы. Eсв/A вблизи A = 60 более высокие – выделение энергии при делении тяжелых ядер или синтезе легких ядер. Массовое число A 16

Энергия связи ядра Энергия связи на одну частицу, Мэ. В Синтез дегких ядер и деление тяжелых ядер: энергия выделяется, поскольку нуклоны в дочерних ядрах более тесно связаны друг с другом, чем в материнских ядрах. Массовое число A 17

Естественная и искусственная радиоактивности 1896: рождение ядерной физики – французский физик Генри Беккерель (1852 1908) обнаружение радиоактивности урана. Излучение не требует внешнего воздействия, обладает высокой проникающей способностью (засвечивает защищенные фотопластинки и ионизирует газы). Радиоактивность – самопроизвольный процесс. Maрия и Пьер Кюри наиболее значимые результаты в области изучения радиоактивности (Нобелевская премия по физике в 1903 году). Мария Кюри (1867 -1934) Открытие двух ранее неизвестных радиоактивных элемента, названных полонием и радием. 18

Радиоактивность Излучение, испускаемое радиактивными веществами, результат распада (деления) нестабильных ядер. Три типа распада радиоактивных веществ: • альфа ( ) распад испускание альфа частиц (ядер 4 He); • бета ( ) распад испускание либо электронов, либо позитронов; • гамма ( ) – распад испускание гамма лучей (высокоэнергетичных фотонов). Позитрон частица, во всех аспектах подобная электрону, за исключением того, что заряд позитрона равен +e. Позитрон e+ частица двойник aнтивещества пo отношению к электрону e-. 19

Радиоактивность Магнитное поле: разделение р/а излучения на три компоненты в результате отклонения заряженных частиц от первоначальной траектории. Плоский детектор Свинец Радиоактивный источник Альфа частицы и электроны – отклонение в противоположных направлениях, гамма лучи не отклоняются. Альфа частицы – проникновение с трудом сквозь лист бумаги. Бета частицы проникновение сквозь лист Al (несколько миллиметров). Гамма лучи проникновение сквозь свинец (несколько сантиметров). 20

Закон радиоактивного распада Равенство скорости распада R числу распадов в секунду и где R 0=N 0 скорость распада при t = 0. Скорость распада R атомов – радиоактивность вещества. 21

Закон радиоактивного распада Экспоненциальное уменьшение R и N во времени. Время полураспада р/а вещества – период времени, за который половина р/а ядер в веществе распадается. и 22

Радиоактивность Кюри (Ки) часто используемая единица измерения активности, 1 Ки 3, 7 × 1010 распадов/с. 1 Ки ≈ aктивность 1 г радия. Беккерель единица активности в СИ, 1 Бк 1 распад/с. 1 Ки 3, 7 × 1010 Бк. Кюри довольно большая единица, более часто используются милли. Кюри и микро. Кюри. 23

Процессы распада Спонтанный распад – ядро oдного элемента самопроизвольно превращается в ядро другого элемента. Любой спонтанный распад: релятивистские энергия и импульс, характерные для изолированного материнского ядра, должны сохраняться. 24

Процессы распада Увеличенный участок линии стабильности Три возможных способа спонтанного распада р/а ядер: альфа распад, бета распад гамма распад. - стабильные ядра - обогащенные нейтронами нестабильные ядра - бета-распад с эмиссией электрона Нейтронное число N Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z - обогащенные протонами нестабильные ядра - бета-распад с эмиссией позитрона или с конкурентным процессом захвата электрона Линия стабильности Число протонов Z Бета (электронный) Стабильные Бета (позитронный) или захват электрона Альфа - сильно обогащенные протонами нестабильные ядра альфа-распад. 25

Процессы распада Общие законы для любого распада: • закон сохранения массового числа (сумма массовых чисел A должна быть одинаковой по обеим сторонам распада), • закон сохранения электрического заряда (сумма атомных чисел Z должна быть одинаковой по обеим сторонам распада). 26

Правила смещения Р/а распад – соответствие так называемым правилам смещения. Правила смещения – возможность установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения следствие зако нов сохранения массового числа и электрического заряда. 27

Процессы распада Aльфа распад Эмиссия aльфа частицы потеря материанским ядром двух протонов и двух нейтронов. материнское ядро дочернее ядро 28

Процессы распада Aльфа распад Уран 238 U и радий 226 Ra при распаде испускают aльфа частицы 29

Процессы распада Aльфа распад Энергия распада Q скорость света в вакууме масса материнского ядра масса дочернего ядра масса альфа частицы Проявление энергия распада Q в виде кинетической энергии дочернего ядра и альфа частицы. 30

Процессы распада Aльфа распад Распад 226 Ra Материнское ядро в покое до распада – кинетическая энергия продуктов равна 4, 87 Mэ. В. Закон сохранения импульса – более легкая aльфа частица обладает намного более высокой скоростью, чем дочернее ядро. До распада Большая кинетическая энергия у aльфа частицы, даже несмотря на то, что она намного легче, чем дочернее ядро 222 Rn. После распада В целом, большая энергия у менее массивных частиц при ядерных распадах. 31

Процессы распада Aльфа распад Возбужденные квантовые состояния дочернего ядра – дискретный набор энергий у альфа частицы. Сопровождение альфа распада эмиссией oдного или более гамма фотонов при переходе возбужденных ядер в основное состояние. Дискретность энергетического спектра альфа частиц – свидетельство квантования энергии ядер. 32

Процессы распада Aльфа распад Материнское ядро: (1) альфа частица, уже сформированная внутри ядра, (2) дочернее ядро, остающееся после испускания aльфа частицы. Зависимость потенциальной энергии от расстояния r между aльфа частицей и дочерним ядром. 30 Мэ. В Кривая – результат комбинированного действия: (1) кулоновской силы отталкивания (r > R) и (2) ядерных сил притяжения (r < R). 5 Мэ. В R – граница действия ядерных сил Соответствие типичной энергии распада Q ≈ 5 Mэ. В кинетической энергии aльфа частицы. -40 Мэ. В 33

Процессы распада Aльфа распад 1928 г. : Г. Гамов (1904 1968) – объяснение каким образом альфа частица покидает потенциальную яму. 30 Мэ. В 5 Мэ. В Квантовая механика: всегда существует некоторая вероятность того, что частица может туннелировать сквозь потенциальный барьер. -40 Мэ. В 34

Процессы распада Бета распад Электронный распад Позитронный распад Эмиссия нейтрино при позитронном распаде и aнтинейтрино при электронном распаде. Антинейтрино античастица для нейтрино. Дочернее ядро такое же число нуклонов как и в материнском ядре, но aтомное число изменяется на 1. 35

Процессы распада Бета распад Электрон или позитрон, эмитированные при бета распадах, не присутствуют заранее в ядре. Создание электрона или позитрона в процессе распада из энергии покоя распадающегося ядра. 36

Процессы распада Бета распад До распада Электрон Антинейтрино После распада До распада Позитрон Нейтрино После распада 37

Процессы распада Бета распад Электронный бета распад: увеличение числа протонов на 1 (уменьшение числа нейтронов на 1). Фундаментальный процесс e распада нейтрон превращается в протон: 38

Процессы распада Бета распад Позитронный бета распад: число протонов уменьшается на 1 (число нейтронов увеличивается на 1). Фундаментальный процесс e+ распада протон превращается в нейтрон: 39

Процессы распада Бета распад K захват (захват электрона с K оболочки) Захват материнским ядром oдного из орбитальных электронов с эмиссией нейтрино: 40

Процессы распада Бета распад Постоянство и равенство примерно 1, 3 × 10 -12 отношения 14 C/12 C в молекулах окиси углерода в атмосфере Земли и в живых организмах. Прекращение поглощения 14 C из атмосферы после смерти организма – уменьшение отношения 14 C/12 C. Возможность измерить возраст органического вещества путем измерения активности содержащегося в нем 14 C (период полураспада 5730 лет). 41

Контрольный вопрос Ядра 12 С, 13 N, 14 O содержат одинаковое число а) протонов, б) нейтронов, в) нуклонов? 42