Строение атомного ядра Ядерная физика раздел физики

Строение атомного ядра Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции). Атомное ядро – положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса. Ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон – элементарная частица (символ p или p+, электрический заряд 1. 602· 10− 19 Кл, масса 1. 672621898(21)· 10− 27 кг, спин ½, отношение масс протона и электрона 1836, время жизни > 2. 9· 1029 лет). В химическом смысле протон – ядро протия 1 H (легкий изотоп атома водорода) без электрона. Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основными источниками энергии, генерируемой звездами (Солнцем). Нейтрон – тяжелая элементарная частица тяжелая, не имеющая электрического заряда (символ n или n 0, масса 1. 674927471(21)· 10− 27 кг на 0. 1378 % больше, чем масса протона, спин ½, отношение масс протона и электрона 1838, время жизни 880 с). протон нейтрон Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов. С точки зрения электромагнитного взаимодействия это разные частицы. Для сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, они неразличимы. В типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов.

Зарядовое число Z (атомный номер, атомное число, порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева) – число протонов в ядре. Z равно заряду ядра в единицах элементарного заряда. В неионизированном атоме количество электронов в электронных оболочках совпадает с Z. N – изотопическое число (число нейтронов в ядре). A = Z + N – массовое число ядра. Нуклид – вид атомов с заданным составом ядер (Z протонов, N нейтронов). . Химическая природа атома задаётся электронным облаком, а его состав зависит только от заряда ядра Z. Изотопы – атомы с одинаковым Z (атомы одного и того же элемента), но различными N. Природный водород существует в виде трех Химический элемент водород изотопов (для дейтерия и трития есть протий дейтерий тритий собственные химические символы). 1 H 2 H (D) 3 H (T) Не всякий набор Z и N дает устойчивое ядро. Если оно способно самопроизвольно Z=1 Z=1 распадаться, превращаясь в другое ядро, то N=0 N=1 N=2 такое явление называется радиоактивностью и процесс распада обычно сопровождается A=1 A=2 A=3 излучением – радиацией.

Заряд атомного ядра Величина электрического заряда атомного ядра определяется количеством протонов N (количеством электронов в атомных оболочках, которое совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице Менделеева): – абсолютная величина элементарного электрического заряда. Заряд определяет химические свойства всех изотопов данного элемента. Заряд ядра был определен в 1913 Генри Мозли с помощью измерения длины волны характеристического рентгеновского излучения от кристаллов ряда химических элементов, следующих последовательно в таблице Менделеева. Закон Мозли: – частота характеристического рентгеновского излучения , – заряд ядра, не зависят от элемента Henry Moseley 1887 -1915

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Фотоны имеют энергию от 100 э. В до 250 кэ. В, что соответствует излучению с частотой от 3· 1016 до 6· 1019 Гц и длиной волны 0, 005 – 10 нм. Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона, а жесткое – наибольшей. .

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод. Электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения (испускаемое электроном при его рассеянии, торможении, в электрическом поле) происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли).

Рентгеновское излучение было открыто Рентгеном (1895) и названо им Х-лучами при исследовании катодных лучей (потоков электронов, излучаемых катодом). Он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки экран, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в темной комнате. Случайно замеченное свечение такого экрана позволило Рентгену открыть лучи, позже названные его именем. Wilhelm Conrad Röntgen 1845 -1923 В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (первичные рентгеновские лучи), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10 -16— 10 -15 с переходит в конечное состояние с меньшей энергией. Избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты линий этого спектра от атомного номера определяется законом Мозли.

Характеристическое рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, испускаемое при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние. Характеристический спектр – линейчатый рентгеновский спектр, возникающий при переходах электронов верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N- оболочки. Частоты линий характеристического спектра химических элементов подчиняется закону Мозли. Тормозное рентгеновское излучение с непрерывным энергетическим спектром - коротковолновое электромагнитное (фотонное) излучение (диапазон частот 3⋅1016 – 3⋅1019 Гц, диапазон длин волн 10 -8 – 10 -12 м) образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц (например, при торможении в кулоновском поле ускоренных электронов). Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки

Как и видимый свет, рентгеновское излучение (РИ) вызывает почернение фотопленки. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, РИ изображает на ней внутреннюю структуру объекта. Поскольку проникающая способность РИ различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке. Костные ткани менее прозрачны, чем те, из которых состоят внутренние органы. На рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для РИ места их перелома могут быть легко обнаружены. РИ используется в химии для анализа соединений, в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок РИ, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество РИ рассеивается атомами кристалла, давая картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Размер атомного ядра Анализ распада тяжелых ядер связывает радиус ядра с массовым числом простым соотношением Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил, то значение r 0 зависит от процесса, при анализе которого получено значение R. Усредненное значение Масса атомного ядра Для характеристики массы атомов и молекул используют понятие атомной

Ядерные силы Между нуклонами в ядре действуют силы притяжения – ядерные силы. Они относятся (наряду с гравитационными и электромагнитными) к числу фундаментальных сил природы. В квантовой механике вместо “ядерные силы” используется выражение “сильное взаимодействие”. Это подчеркивает то, что ядерные силы гораздо более “сильные”, чем электромагнитные и тем более гравитационные. Ядерные силы удерживают в ядре одноименно заряженные протоны, которые по закону Кулона отталкиваются, и незаряженные нейтроны. Не будь ядерных сил, ядра разлетелись бы на отдельные нуклоны. Особенности ядерных сил : 1. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, радиус действия которых равен бесконечности, ядерные силы являются короткодействующими (очень быстро убывают с расстоянием). На расстояниях, превышающих примерно r 0 ~ 10 -15 м (радиус действия ядерных сил), они становятся практически равными нулю. 2. Обладают свойством насыщения (каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с определенным числом ближайших соседей). 3. Величина сильного взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов. 4. Обладают свойством зарядовой независимости: величина ядерных сил не зависит от электрического заряда взаимодействующих нуклонов.

Свойства насыщения и короткодействия объясняются природой ядерных сил. Эти силы относятся к числу так называемых обменных сил, возникающих между двумя частицами благодаря обмену третьей частицей. Такой частицей, выполняющей роль “переносчика” сильного взаимодействия, является -мезон. Существует три типа -мезонов: -мезоны. Нуклон в ядре испускает -мезон, который затем поглощается соседним нуклоном. В свою очередь, этот второй нуклон испускает -мезон, который поглощается первым нуклоном. Обмен мезонами и приводит к взаимодействию между нуклонами: В ходе обмена -мезонами протоны непрерывно превращаются в нейтроны, а нейтроны – в протоны. Поэтому в составе ядра вообще нет принципиальной разницы между протонами и нейтронами. Их можно рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона. Мезоны (пионы) – составные (неэлементарные) частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. Кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5· 10− 18 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размеров протона. Каждому кварку соответствует антикварк – античастица с противоположными квантовыми числами.

Энергия связи ядра Энергия связи (для данного состояния системы) – разность между энергией состояния, в котором N частиц системы бесконечно удалены друг от друга и находятся в состоянии покоя и полной энергией связанного состояния системы: Для системы, состоящей из бесконечно удаленных покоящихся частиц энергию связи принято считать равной нулю: при образовании связанного состояния энергия выделяется. Энергия связи равна минимальной работе, которую необходимо затратить, чтобы разложить систему на составляющие ее частицы. Она характеризует стабильность системы: чем выше энергия связи, тем система стабильнее. Энергия связи ядра – работа, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии Измерение масс ядер показывает, что масса покоя ядра M меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов:

– дефект массы – мера энергии связи ядра Уравнение Эйнштейна в специальной теории относительности связывает энергию и массу покоя частицы: В общем случае энергия связи ядра определяется следующим образом: Дефекту массы 1 а. е. м. соответствует энергия связи 1 а. е. э. (а. е. э. - атомная единица энергии) = 1 а. е. м. ·с2 = 931 Мэ. В.