Свойства протонов и нейтронов Характеристики атомного ядра Ядро

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов - НУКЛОНОВ Единицы измерений принятые в ядерной физике: Масса 1 а. е. м. = 1/12 (m С 12 )=1, 66 10 -24 г = 931, 44 Мэв Расстояние 1 ферми =10 -13 см =10 -15 м Заряд 1 е = 1, 6 10 -19 Кл Магнитный момент μ 0 = eh/2 mp. C = 5, 05 10 -24 эрг/гаусс -Ядерный магнетон Момент импульса(спин) 1 ћ =1, 054 10 -34 дж сек Электрон е m q S μ Протон р Нейтрон n 0, 511 938, 26 939. 55 -1 +1 0 ±½ ½ ½ 1836 0 2, 79 0, -1, 91 0

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. • Кол-во протонов Z называют атомным номером или зарядовым числом ядра. • Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. • Для обозначения ядра применяется символ z. XA

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. Нейтрон нестабилен. Период полураспада 12 минут n p +e¯ + Радиус ядра довольно точно определяется формулой r = 1, 3 10 -13 A 1/3 cм = 1, 3 А 1/3 ферми Объем ядра близок А, т. е. плотность в-ва во всех ядрах приблизительно одинакова. Спин ядра равен сумме спинов нуклонов. Большинство нуклонов в ядре имеют антипараллельные спины. У всех четно-четных ядер спин =0.

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. ИЗОТОПЫ, различные А при одном Z. 1 1 Н водород 2 1 Н дейтерий 3 1 Н тритий У кислорода 3 изотопа, у олова 10 и т. д. ИЗОБАРЫ - одинаковое массовое число 18 Ar 40 и 20 Ca 40 ИЗОТОНЫ одинаковое число нейтронов N=A-Z 6 С 13 и 7 N 14

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. Масса и энергия связи в ядре Масса ядра ВСЕГДА МЕНЬШЕ СУММЫ масс входящих в него частиц. При объединении нуклонов выделяется энергия связи (Есв). Энергия связи равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить ядро на нуклоны и удалить их друг от друга на такое расстояние, при котором нет взаимодействия. Согласно формуле E=m. C 2, уменьшение энергии ядра должно сопровождаться уменьшением массы. Eсв = C 2 {[Zmp +(A-Z)mn] –mя} = C 2Δm Δm - дефект массы

Свойства протонов и нейтронов. Характеристики атомного ядра. График зависимости удельной энергии связи Есв/А от величины массового числа Такая зависимость делает энергетически возможным два процесса: ü деление тяжелых ядер на несколько более легких ü слияние (синтез) легких в более тяжелые Пример: При делении ядра с А=240 необходимо затратить Е 1= 240× 7, 5 Мэв = (Есв/А=7, 5 Мэв) При образовании 2 ядер А= 120 выделяется Е 2 = 8, 5 × 2 × 120 Мэв Таким образом высвобождается Е= Е 2 - Е 1 =240(8, 5 -7, 5)= 240 Мэв ( Уран 238 -7, 6 )

Характеристики атомного ядра. Модели атомного ядра Капельная модель. (Н. Бор и Я. Френкель 1936) Поведение нуклонов в ядре подобно поведению молекул в капле жидкости. ØСилы короткодействующие и им свойственно насыщение. ØПлотность во всех ядрах одинаковая ØНесжимаемые. Модель позволила вывести формулу для Есв. и объяснила деление. Не объясняет магические числа. Оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, Х. Иенсен 1949) • Нуклоны движутся в центрально симметричном поле. • Есть дискретные уровни энергии, заполняемые с учетом принципа Паули. • Уровни группируются в оболочки, на которых может быть определенное число нуклонов. Полностью заполненная оболочка – устойчивое состояние. В соответствии с опытом, особо устойчивыми являются ядра с N или Z равными 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Числа называются магическими, ядра - магическими. Если и N и Z оба магические – ядра дважды магические. Таких ядер 5: 4 16 40 48 208 2 He , 8 O , 20 Ca , 82 Pb

Характеристики атомного ядра. Свойства ядерных сил. Огромная энергия связи нуклонов в ядре говорит о том, что между нуклонами имеется очень сильное взаимодействие. Ø Ядерные силы короткодействующие ~ 10 -13 см. Притяжение на больших расстояниях, на меньших отталкивание Ø Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов Ø Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов Ø Ядерные силы не центральны Ø Ядерные силы обладают свойством насыщения

Характеристики атомного ядра. Объяснение природы ядерных сил Сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название МЕЗОНОВ (обменное взаимодействие) Электромагнитное взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики. Взаимодействие между двумя е- может быть представлено, как обмен фотонами. Каждый электрон создает поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на частицу проявляется в поглощении ей фотонов этого поля. Но эти фотоны не реальные, а ВИРТУАЛЬНЫЕ, воображаемые, т. е. такие, которые не могут быть обнаружены за время их существования. е- +h Энергия е- < энергии (е- + h ). . . Это нарушение происходит за настолько малый промежуток времени, что не может быть обнаружено. E t ≥h Если виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном за время t = h/ Emin = h/ h =1/ то процесс возможен

Характеристики атомного ядра. Объяснение природы ядерных сил За это время взаимодействие может быть передано на расстояние: λ фотона может быть любой r неограничен. Если же масса виртуальной частицы отлична от 0, то радиус действия ограничивается величиной: r = Комптоновская длина волны В 1934 году Тамм предположил, что нуклоны обмениваются виртуальными электронами Тогда радиус получался 3, 86 10 – 11 см , но это на два порядка больше размеров ядра.

Характеристики атомного ядра. Объяснение природы ядерных сил 1935 Юкава предположил, что есть пока не обнаруженные частицы с массой 200 – 300 me которыми и обмениваются нуклоны. Он их назвал тяжелыми фотонами. Т. к. их масса промежуточная между электронами и нуклонами их назвали МЕЗОНАМИ. 1936 Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой 207 me названные -мезонами или МЮОНАМИ. Но они слабо взаимодействуют с нуклонами. Только в 1947 г Плуэлл открыл в космических лучах -мезоны или ПИОНЫ, которые оказались носителями ядерных сил, Существуют положительные ( +) , m= 273 me отрицательный ( -) и m= 273 me нейтральный ( 0) . m= 264 me Все три частицы нестабильны. Спины =0. + ≈ - ≈ 2, 6 10 -8 с

Характеристики атомного ядра. Объяснение природы ядерных сил p+n n+π+ +n n+p

Радиоактивность. ØФранцузский физик А. Беккерель (1852 – 1908) Ø 1896 г. Открытие радиоактивности излучения неизвестной природы ( при изучении солей урана) ØИонизирует воздух ØПроникает сквозь тонкие металлические пластинки ØВызывает люминесценцию ряда веществ Самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого химического элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер

Радиоактивность. Исследовалось Пьером и Марией Кюри. Было обнаружено и для других элементов (Торий, Полоний, Актиний, Радий) Было показано, что не зависит от v механических воздействий, vагрегатного состояния, vтемпературы, vмагнитных и электрических полей – то есть от воздействий влияющих на электронную оболочку. Значит вызвано процессами в ядре.

Радиоактивность. Радиоактивное вещество является источником 3 видов излучений. 1. - ядра гелия Самая высокая ионизирующая способность. Проникающая способность небольшая, поглощается слоем Al толщиной 0, 05 мм 2. - электроны и позитроны. Ионизирующая способность меньше на два порядка. Проникающая способность существенно больше (слой Al толщиной 2 мм) 3. - электромагнитное излучение с λ < 1 Å Ионизирующая способность мала. Проникающая способность существенно больше (слой свинца толщиной 5 см)

Радиоактивность, наблюдаемая у изотопов существующих в природе – естественная. Радиоактивность, наблюдаемая у изотопов полученных по средствам ядерных реакций – искусственная. Принципиальной разницы нет ü распад Виды радиоактивности: XA Z-2 YA-4 + 2 He 4 z Сопровождается γ излучением ü распад z. X A Z+1 YA + e- + Нейтрино – предположили существование в 30 -е годы Паули и Ферми, В 1953 – обнаружены экспериментально ü ü Протонная радиоактивность Спонтанное деление тяжелых ядер

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада Пусть для каждого ядра вероятность превращения в единицу времени равна , тогда для N атомов : d. N = - Ndt (- т. к. убывает) ln. N = - t +const N=N 0 e - t -постоянная распада, характеризует вещество. За t распадается N 0 –N = N 0(1 – e - t ). Время, за которое распадается половина, называется временем полураспада. ½ N 0 = N 0 e - T T= ln 2/ = 0, 693/ Для известных в природе элементов Т от 3 10– 7 с до 5 10 15 лет.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада Время жизни Период полураспада T= ln 2/ = 0, 693/

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада Время жизни Знание времени жизни отдельных изотопов позволяет оценивать давность некоторых исторических событий. Например, возраст земли В урановой руде соотношение изотопов: 238 и 235 99, 3% и 0, 7% τ1(238)= 6, 52 109 лет τ2(235) =1, 02 109 лет Естественно предположить, что в момент образования химического элемента содержание изотопов было одинаковым, тогда 0, 007 t =6 109 лет

Радиоактивность. Радиоуглеродный метод датирования основан на измерении относительной концентрации радиоактивного углерода С 14 в останках древних организмов Нестабильный изотоп углерода С 14 возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой определенный процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом С 12 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 С 14 в результате β-распада постепенно превращается в азот N 14 с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода С 14 в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Радиоактивность.

Радиоактивность. Единицы радиоактивности. По числу распадов в единицу времени Кюри (Ku) = 3, 7 1010 распадов в секунду Беккерель (Бк) 1 распад в секунду в СИ Резерфорд (Рд) =106 Бк 1 Ku= 3, 7 1010 Бк По воздействию на вещество характеризуется дозой ионизирующего излучения. Различаются: 1. Поглощенная доза (Д) 2. Экспозиционная доза (Х) 3. Биологическая (эквивалентная) (Н)

Радиоактивность. Единицы радиоактивности. 1. Отношение поглощенной энергии к массе ее поглотившей – поглощенная доза (Д) : Грей (Гр) 1 Гр = 1 дж/кг в СИ 1 рад = 10 - 2 Гр Мощность дозы – доза поглощенная в единицу времени Грей/сек 2. Отношение суммарного зарядавсех ионов одного знака созданных в воздухе при полном торможении вторичных электронов, образующихся в элементарном объеме к массе воздуха в этом объеме (Х) Кулон /кг в СИ Рентген (р) 1 р=2, 58 10 -4 кл/кг Мощность экспозиционной дозы – доза в единицу времени Ампер / кг

Радиоактивность. Единицы радиоактивности. 3. Биологическая доза (Н) определяет воздействие на организм принято выражать Н = Д×К, где К –качественный фактор, характеризующий данный вид излучения, а Д – доза (Гр). Единица – зиверт (Зв) Внесистемная единица биологический эквивалент рентгена (бэр) : Бэр 1 бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или γ-излучения в 1 Р 1 бэр = -2 10 дж/кг Приблизительные значения К рентгеновское или γизлучение 1 β частицы 1 20 10 10 α частицы Протоны Быстрые нейтроны Медленые нейтроны

Радиоактивность. Биологическое действие радиоактивного излучения Облучение делят на: ►проникающее, если его получают в течение краткого интервала времени (секунды - часы) ►постоянное, если его получают в течение длительного времени (годы, десятилетия)

Ядерные реакции

Ядерные реакции Реакции деления В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др. Ядра-осколки испытывают серию последовательных β–-распадов, пока не образуется стабильное ядро. 92 U 235 Ba 139 + Kr 94 +2 n +γ 56 36 92 U 235 38 Sr 90 + 54 Xe 142 +3 n +γ (стронций и ксенон) При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2, 5 т нефти.

Ядерные реакции Реакции деления Цепная реакция При делении ядра урана-235, 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 называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана

Ядерные реакции Цепная реакция Критическая масса

Ядерные реакции

Ядерные реакции Реакции синтеза

Фундаментальные взаимодействия Взаимодействия Сильное Интенсивность 1 Электромагнитное 10 -14 Гравитационное 10 -31 10 -15 Частицы участвующие Частицы осуществляющие Мезоны и барионы Пионы(π+, π– и π0) Имеющие заряд или магнитный момент 10 -2 Слабое Радиус действия (М) 10 -18 фотоны любые, кроме фотонов. (обязат ельно участие нейтрино) бозоны (W+, W– и Z 0) Все <гравитоны>? ? Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность

β-распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино (например, β-распад нейтрона). Необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения. Слабое взаимодействие играет важную роль в термоядерных реакциях, ответственных за механизм выделения энергии в звездах. Экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым.

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z 0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия Взаимодействие Ответственно Длительность процессов Сильное Существование ядер 10 -23 Электромагнитное Существование атомов, молекул, вещества, химические реакции и т. д. . 10 -20 Слабое распад, термоядерные реакции 10 -9 Гравитационное Существование Вселенной -

Элементарные частицы

Элементарные частицы Класс Название Античастица фотон Л Е П Т О Н ы Электрон Мюон Таон Нейтрино (электронное, мюонное, таонное) Позитрон Мюон Таон Нейтрино Обозн. γ е-, е+ μ-, μ+ τ -, τ + νе , νμ , ντ , Масса (Мэ. В) Спин Время ж. 0 1 Стаб 0, 511 106 1784 Стаб 2, 2*10 -6 3, 5*10 -13 1/2 0(? ) Стаб

Элементарные частицы Класс А Д Р О Н ы Подкласс Название Обозн. Масса (Мэ. В) Спин Время ж. (сек) π + , ππ0 Пион(нейтр) 140 2, 6*10 -8 135 0, 83*10 -16 Каон (зар) Мезоны К+, К К 0 , К 0 494 1. 2*10 -8 η 549 7*10 -19 938, 3 939, 6 Стаб 918 Пион (зар) Каон(нейтр) Эта-мезон Барионы Протон Нейтрон Гипероны: Ламбда сигма кси и т. д. P P~ n ñ 498 >1000 0 1/2 10 -8 -10 -10

Кварки Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

Кварки Несмотря на обилие адронов, оказалось, что для построения всех частиц этого класса достаточно иметь только три типа, или, как теперь говорят, три аромата кварков : u — кварк (up) “верхний”, d — кварк (down) “нижний” и s — кварк (strange) — “странный”. С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 1/3 и 2/3 элементарного заряда

Кварки • Ква рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0, 5× 10− 19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов» ) кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет» . Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Кварки В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — − 1/3. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

Кварки Символ Название Заряд рус. Масса англ. Первое поколение d нижний down − 1/3 ~ 5 Мэ. В/c² U верхний up + 2/ 3 ~ 3 Мэ. В/c² Второе поколение S Странный strange − 1/3 95 ± 25 Мэ. В/c² C Очарованный charm +2/3 1, 8 Гэ. В/c² Третье поколение b прелестный beauty − 1/3 4, 5 Гэ. В/c² t истинный truth +2/3 171 Гэ. В/c²