Тема 7. Атомное ядро. Радиоактивность § 7. 1. Строение ядра. Размеры ядер. Модели ядра Эрнест Резерфорд (1871 -1937) 1
Модель атома Томпсона «булочка с изюмом» Размеры атома R ~10 -10 м=1 A м 2
Опыт Резерфорда 3
4
Состав ядра – нуклоны: протоны (p) и нейтроны (n) Пример: ядро атома тория 232 90 5
§ 7. 2. Энергия связи ядра Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов: U r Δm =Zmp+(A-Z)mn- mя дефект массы ядра Энергия связи ядра Есв=с2Δm =с2{[Zmp+(A-Z)mn]- mя} 6
Удельная энергия связи ядер Два вида энергетически выгодных ядерных реакций: 1. Реакция деления тяжелых ядер 2. Реакция слияния (синтеза) легких ядер 7
7. 3. Свойства нуклонов Протон p Магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов ! Нейтрон n (!) Нейтрон в свободном состоянии нестабилен (Т=12 мин. ): 8
Массовое число ядра (число нуклонов в ядре): A=Z+N Z – число p N – число n Z – зарядовое число (порядковый номер элемента в таблице Менделеева) Символьное обозначение ядра: Размеры ядер: R =1, 3. 10 -15 A 1/3 м 10 -15 м = 1 фм = 1 Фм (ферми) Плотность ядерного вещества ρ = 2, 3. 1017 кг/м 3 Плотность золота ρ = 1, 93. 104 кг/м 3 9
Числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах 10
• Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A-Z) называются изотопами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: протий (Z=1, N=0), дейтерий (Z=1, N=1) и тритий (Z=1, N=2) Ядра с одинаковыми А, но разными Z изобарами. Пример: называют 11
§ 7. 4. Ядерные силы 12
Свойства ядерного (сильного) взаимодействия 1. Короткодействие ( r ≤ 10 -15 м ) 2. Зарядовая независимость 3. Насыщенность (каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими нуклонами) 4. Зависимость от ориентации спина (например, дейтрон образуется из протона и нейтрона с параллельными спинами) 5. Нецентральность 13
Обменные частицы электромагнитного взаимодействия – виртуальные фотоны: e- e- Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называются виртуальными. Радиус действия ядерных сил: 14
Схемы обменного взаимодействия между нуклонами 1 2 3 Масса π-мезона: mπ~270 me Одиночный нуклон всегда окружен «мезонной» шубой. При сближении нуклонов их «мезонные» шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена мезонами – возникает ядерное взаимодействие 15
Экспериментальное наблюдение обменного взаимодействия нуклонов 16
Схемы обменного взаимодействия между нуклонами 1 2 3 Экспериментальное наблюдение обменного взаимодействия нуклонов n p n π+ p n n 17
§ 7. 5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада 18
Радиоактивностью называется свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд, массовое число). Необходимое условие: масса исходного ядра должна превышать общую массу продуктов распада. При этом испускаются элементарные частицы или ядерные фрагменты. 19
Радиоактивность 1. α – распад, 2. β – распад, 3. γ – излучение ядер (λ< 0, 1 нм) 4. спонтанное деление тяжелых ядер, 5. протонная радиоактивность Беккерель (Becquerel) Антуан Анри (1852 – 1908) Кюри (Curie) Пьер (1859 – 1906) Склодовская-Кюри (Sklodowska-Curie) Мария 20 (1867 – 1934)
Закон радиоактивного распада λ – постоянная распада Т – период полураспада: 21
Среднее время жизни р/а ядра Активность р/а препарата Единица активности (СИ) – беккерель (Бк): 1 распад в с Внесистемная единица – кюри (Ки): 3, 7· 1010 распадов в секунду 22
Закон радиоактивного распада 23
§ 7. 5. 1. α -распад 24
Условие для туннелирования: Eα > 0 Ядерные силы Кулоновские силы Z > 82 25
26
§ 7. 5. 2. β -распад 27
Разновидности β - распада 1. Испускание электронов d. N/d. E E Для сохранения спина sν=1/2 Emax 2. Испускание позитронов - только в ядре. Для свободного протона невозможно: mp< mn 28
3. электронный захват (е – захват) E 0 n=4 N n=3 M s p d γ ν n=2 L Внутриядерный процесс, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К-оболочки) и его зарядовое число становится равным Z-1; сопров-ся рентген. излучением. n=1 К γ 29
7. 5. 3. Гамма-распад Испускание возбужденным ядром при переходе в нормальное состояние γ-кванта (от 10 кэ. В до 5 Мэ. В) Возбужденные ядра образуются при βраспаде Внутриядерный процесс! 30
7. 6. Радиоактивные изотопы в природе Углеродный анализ по остаточной радиоактивности. Погрешность метода - от семидесяти до трёхсот лет. Один из факторов эволюции – природная радиоактивность. 31
7. 7. Биологическое воздействие радиоактивности Взаимодействие с электронными оболочками вещества приводит к ионизации или возбуждению атомов вещества • Возбужденные атомы и ионы обладают повышенной химической активностью, что ведет к образованию новых «чужих» молекул, разрушению отдельных белковых молекул и клеточных структур Доза ионизирующего излучения – грей. 1 Гр=1 Дж/1 кг. Опасно облучение более 0, 25 Гр. 32
• Гамма кванты и нейтроны – электрически нейтральны, вследствие чего обладают большей проникающей способность, чем α и β излучение. 33
В ядерных реакциях сохраняется • • Заряд Массовое число Энергия, импульс Момент импульса (полный спиновый момент) 34
§ 8. 2. Деление ядер. Цепная реакция деления ……. § 8. 3. Термоядерный синтез Cамостоятельная Работа Cтудента 35
Зависимость периода полураспада (лет) от кинетической энергии α- частицы (Мэ. В) Т 0, 5 Th 232 1010 Th 230 106 102 Th 228 Th 226 10 -2 4 5 6 Мэ. В 36