Как определить число элементарных частиц в атоме. Атомное ядро и элементарные частицы
Атомное ядро. Элементарные частицыСтроение атомных ядер. Массовое и зарядовое числа. Нуклоны
К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником?-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп Схема опыта Э. Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер (1919) p = 1,60217733·10–19 Кл mp = 1,67262 10–27 кг=1,007276 а. е. м. 1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг. протоны входят в состав ядер атомов
Частицы вещества и некоторые их свойства суммированы в таблице. Массы кварков являются приблизительными. Подпись изображения Электроны вращаются вокруг ядра атома в этой схеме. Наиболее точное измерение формы электрона показало, что оно почти идеально сферическое.
Электроны являются отрицательно заряженными элементарными частицами, которые вращаются вокруг ядер атомов. Открытие важно, потому что оно может сделать некоторые из возникающих теорий физики частиц, таких как суперсимметрия, менее вероятными. В своей научной статье исследователи говорят, что электрон отличается от того, чтобы быть совершенно круглым с небольшим количеством.
1932 г. Дж. Чедвик Схема установки для обнаружения нейтронов масса нейтрона mn = 1,67493 10–27 кг = 1,008665 а. е. м. Открытие нейтрона
Счетчик Гейгера - Мюллера
Камера Вильсона
Строение атомных ядер Российский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер. Протоны и нейтроны - нуклонами. Число протонов Z - зарядовым числом Число нейтронов - N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A: A = Z + N
Текущая лучшая теория для объяснения взаимодействий субатомных частиц известна как Стандартная модель. Согласно этой структуре электрон должен быть близок к абсолютно сферическому. Но стандартная модель неполна. Он не объясняет, как гравитация работает и не объясняет другие явления, наблюдаемые во Вселенной.
Поэтому физики пытались использовать эту модель. Одна основа для объяснения физики за пределами стандартной модели известна как суперсимметрия. Однако эта теория предсказывает, что электрон имеет более искаженную форму, чем предложенная Стандартной моделью. Согласно этой идее, частица может быть яйцевидной.
Ядро обозначают тем же символом, что нейтральный атом: Атомное ядро = «нуклид». X- символ химического элемента Основные характеристики частиц, входящих в состав атома 1эВ = 1.6·10-19Дж, масса в 1 МэВ рассчитана с использованием формулы на E = mc2
Всего в природе ~300 устойчивых изотопов, ~50 неустойчивых. Существуют ядра, имеющие большое количество изотопов (Sn – 30 изотопов, 10 из них стабильны). В ядерных реакциях получено > 1800 изотопов (~100 из них в трансурановой области, лежащей за 92U) В зависимости от значений Z, A, N различают: «Изотоп» - «то же самое место» - все изотопы данного элемента в одном месте таблицы.
Исследователи подчеркивают, что новое наблюдение не исключает суперсимметрии. По словам доктора Хадсона, это не поддерживает теорию. Он надеется улучшить точность своих измерений в четыре раза в течение пяти лет. К тому времени, по его словам, его команда может сделать окончательное заявление о суперсимметрии и некоторых других теориях, объясняющих физику за пределами Стандартной модели.
Измерение Д-ра Хадсона в два раза точнее, чем предыдущие усилия по выяснению формы электрона. Но перспектива улучшения измерений и возможность пролить свет на современные теории физики частиц заставили научное сообщество «сидеть и принимать к сведению».
Взаимодействие нуклонов в ядре, свойства и природа ядерных сил Особенности ядерных сил:
По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено обменом?-мезонов или пионов между нуклонами (1947 - в космическом излучении (Пауэлл и Оккиалини), предсказал Юкава (1935). ?+-мезоны, ? -- мезоны (?q?=?e?, m=273mе), нейтральные?0- мезоны (?q?=0?, m=264mе) Спин?-мезонов =0, нестабильны. Время жизни?+ и?- - 2,6.10-8 с, ?0 -0,8.10-16 с.
Но он добавил, что улучшенные измерения могут начать «сдерживать возможные теории и что можно обнаружить на Большом адронном коллайдере в Серне и то, что вы можете ожидать в космологических наблюдениях». Современные теории также предполагают, что если электрон более или менее круглый, то должно быть равное количество вещества и антиматерии, что, как следует из названия, является противоположностью материи.
Вместо этого астрономы наблюдали Вселенную, состоящую в основном из материи. Но это наблюдение, которое можно было бы объяснить, если бы электрон оказался более яйцевидным, чем предсказывает Стандартная модель. Хотя форма электрона может иметь важное значение для будущих теорий физики частиц, главная мотивация доктора Хадсона - это просто любопытство.
В первом приближении ядро можно считать шаром. Размеры атомных ядер ~10-14?10-15 м (<< размера атома). Масса атома практически равна массе ядра. объем ядра ~ числу нуклонов в ядре А, А~m > средняя? ядерного вещества практически одинакова, не зависит от Z.
Ни одна модель не дает исчерпывающего описания ядра, каждая рассматривает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений. > В теории ядра используют модельный подход – используют различные приближения – ядерные модели, с помощью которых удается объяснить многие свойства атомных ядер. 1. Недостаточность знаний о ядерных силах, действующих между нуклонами. Капельная и оболочечная модели основаны на аналогии свойств атомных ядер со свойствами жидкой капли и электронной оболочки атома. Попытки создать теорию, достаточно точно описывающую многообразие свойств ядер, наталкиваются на: Модели атомного ядра: капельная, оболочечная. 2. Трудность точного решения квантовых уравнений, описывающих движение большого числа нуклонов в ядре. 3. Трудность учета движения нуклонов вследствие сильного взаимодействия между ними.
Мы действительно должны знать, какова форма электрона, - сказал он. Представьте большое удобство работает или термический Миннеаполис и игрок. В противном случае ваш чат авиакомпании. Завтра много помидор чили морковь брожения. Есть шесть типов или ароматов кварков - вверх, вниз, сверху, снизу, шарм и странно. Частицы, которые составляют большинство нашего взаимодействия с веществом - протонов и нейтронов - оба сделаны вверх и вниз кварков.
Кварки являются мельчайшими частицами, которые мы знаем. Кварки, наряду с лептонов, что мы называем элементарными частицами, потому что, насколько мы измеряли, они не состоят из каких-либо мелких частиц. Они могут на самом деле имеют размера, хотя это может вызвать проблемы математики мы используем, чтобы описать их.
Капли жидкости – постоянная? вещества, не зависящая от числа молекул > малая сжимаемость. Ядра – практически одинаковая?, не зависящая от числа нуклонов > крайне малая сжимаемость ядерного вещества. Модель используют при описании реакций, происходящих при столкновении с ядрами других ядер, нуклонов и других частиц. В капле и ядре – определенная подвижность частиц. Объем капли и ядра ~ числу составных частиц. Капельная – первая простейшая модель ядра (Я.И. Френкель - 1939, развита Н.Бором и др.) Аналогия поведения нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Ядро – как капля заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной. Силы между нуклонами короткодействующие (как и между молекулами в жидкости). Позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций, реакций деления ядер. Не смогла объяснить повышенную стабильность некоторых ядер.
Кварки были обнаружены подобным образом атомного ядра. Когда электроны столкнулись с протонами, они восстановились, казалось бы, ударившись что-то сложнее, чем «мягкая сердцевина» Протоны думало иметь. Это указывает на то, что там было меньше, подструктура к протону.
И, конечно, любой он это все некстати. Кварки были одним из первых частиц с образованием во Вселенной. В течение этого времени, кварк эпоха началась, и большое число кварков образуются во Вселенной. При попытке вытащить два кварка друг от друга, вы должны поставить столько энергии в том, что, прежде чем преодолеть сильное сила, удерживающие их вместе, вы поставите достаточно энергии, чтобы создать два новые кварки, которые связываются с оригинальными двумя. Мы называем это состояние вечного единения «удержания кварков.».
Наиболее устойчивы ядра с А=2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152. Называют магическими, у которых магические числа р и n,- дважды магические – особенно устойчивы (5). При столкновении 2-х нуклонов – обмен их Екин. Из решения уравнения Шредингера для движущегося в самосогласованном поле нуклона > нуклоны в ядре находятся в определенных энергетических состояниях, характеризуемых определенными? и индивидуальными числами n и l . Оболочечная – М. Гепперт-Майер и И. Иенсен 1940-1950. Отдельные нуклоны в ядрах движутся независимо в усредненном поле нуклонов. Это поле является сферическим потенциальным (самосогласованным). Введение этого одинакового для всех нуклонов поля позволяет рассматривать движение отдельного нуклона > сводить задачу многих тел к задаче 1-го тела. По модели, нуклоны распределены по дискретным энергетическим уровням, заполняемых согласно принципа Паули, устойчивость ядер связывают с заполнением уровней (ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы).. Модель позволила описать основные свойства ядер в невозбужденном состоянии, объяснить спины и магнитные моменты ядер, периодичность свойств ядер.
Электромагнитная сила, ответственная за свет, электричество и магнитное притяжение, имеет заряд, связанный с ним - электрический заряд. Но сильная сила также имеет заряд, связанный с ним, и мы называем его цветовой заряд. Он поставляется в трех цветах: красный, зеленый и синий. Но кварки на самом деле не окрашены - они слишком малы, чтобы отражать видимый свет. Для того, чтобы иметь цвет, как мы обычно думаем о нем, Творог должен быть более триллион раз больше.
Кварки внутри протона могут изменить цвет путем обмена ГЛЮОНА, виртуальные частицы, которые несут в себе большую силу и кварки держат вместе. Но общий цвет протона должен оставаться белым, так что три валентные кварки в протоне всегда должен быть красным, зеленым и синим. Поэтому, когда один изменяет цвет кварка, другой должен измениться.
M = - mя Разность между суммой масс нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра – дефект массы ядра (?m) E = mc2> изменению массы соответствует изменение энергии > при образовании ядра должна выделяться E = ?mc2 Измерения массы ядер: mя < Zmp+ (A – Z)mn В таблицах обычно не mя, а массы ma атомов > для нахождения?m пользуются?m = – ma (mH - масса атома водорода, ma - масса атома исследуемого элемента). Из закона сохранения энергии: для разделения ядра на составляющие его нуклоны необходимо затратить такое количество энергии, которое выделяется при его образовании Энергия связи ядер
Кварки имеют связанный анти-частиц называется антикварк. Стандартная модель описывает основную структуру материи, как мы ее знаем сегодня. Строго говоря, верификация невозможна, т.е. стандартная модель пока не была сфальсифицирована: прогнозы всегда подтверждались.
Стандартная модель описывает, какие фундаментальные частицы, элементарные частицы, состоят из всего вещества - и как эти частицы взаимодействуют друг с другом. Частицы делятся на две «задачи»: «материальные» частицы и обменные частицы. Первые - фермионы; Примерами являются электроны и кварки - и, следовательно, «обычная» материя. Обменные частицы опосредуют взаимодействия и являются бозонами. Примером может служить фотон, который опосредует электромагнитное притяжение и отталкивание между электрически заряженными частицами.
Энергия связи ядра – энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Eсв = с2 или Eсв = с2 Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Характеризует устойчивость атомных ядер – с ^?уд ядро устойчивее.
Удельная энергия связи ядер Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы, чем ядра средней части таблицы Менделеева.
На этой странице мы кратко рассмотрим валовые деления и свойства элементарных частиц; подробно обсуждаем их на следующих страницах. Взаимодействие В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, гравитация. Структура материи. Вещь, окружающая нас, состоит из атомов, то есть атомного ядра, а также электронов. Электроны являются «точечными частицами», что является элементарным. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, а именно вверх-вниз или вверх-вниз-вниз.
Зависимость?уд от А делает энергетически выгодными: 1. Деление тяжелых ядер на более легкие (переходим из конца таблицы в ее середину, разность энергий связи выделяется в виде энергии реакции). 2. Слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые - термоядерная реакция > переход из начала таблицы в середину, выделяется очень большая энергия > реакции синтеза тяжелых ядер из легких энергетически более выгодны. Деление ядер U или Pu под действием захватываемых ядрами нейтронов - в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы. Термоядерные реакции – в недрах Солнца и звезд, при взрывах водородных бомб.
В бета-распаде нейтрон распадается на протон и электрон; на кварковом уровне вниз кварк распадается в повышающий кварк плюс электрон. Экспериментально, однако, в этих распадах можно было предсказать еще одну частицу: нейтрино. Примечание. Обычно прогнозы исходят из теорий, свидетельств из экспериментов. В экспериментах по бета-распаду было обнаружено, что «импульс отсутствует». Из теории сохранения сохранения импульса следует затем предсказание, что должна быть другая частица. Однако это не может быть доказано в первых экспериментах.
Эти четыре частицы теперь составляют основу всего известного вещества. Электрон, нейтрино, вверх-кварк, понижающий кварк. . Электрон и нейтрино также учитываются как группа лептонов. Смешно, теперь есть еще две копии этих четырех частиц: они различаются - в соответствии с текущим состоянием - только в массах; все остальные свойства идентичны.
Пример: рассчитаем энергию связи ядра гелия, в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия Mя = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. дефект массы ядра гелия равен?M = 0,03038 а. е. м. Eсв = ?Mc2 = 28,3 МэВ. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля.
- Мюон, мюонное нейтрино, странный кварк, шарм-шарм.
- Тау-нейтрино, верхний кварк, нижний кварк.
Масса, электрический заряд, спин, изоспин, заряд цвета, время жизни. . Субатомный мир теперь можно классифицировать по разным свойствам. Глава 5 Элементарные частицы и Силы природы. Протон высокой энергии сталкивается с антипротоном, создавая почти любые кварки.
Естественная и искусственная радиоактивность. Радиоактивность – превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Естественная радиоактивность – радиоактивность у существующих в природе неустойчивых изотопов. 1896 – А.Беккерель – U-соль испускает лучи, проходящие через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки, ионизируют воздух становится проводником электричества. Э.Резерфорд – Эти лучи содержат минимум 2 компоненты, различающиеся проникающей способностью. Менее проникающее излучение – ?-лучи, более – ?-лучи. 1900 - П.Виллар – Третий компонент радиоактивного излучения - ?-лучи. Схема опыта по обнаружению?-, ?- и?-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка.
Аристотель считал, что вся материя во Вселенной состоит из четырех основных элементов: земли, воздуха, огня и воды. Эти элементы подверглись действию двух сил: гравитация или склонность земли и воды к потоку, а также легкость или склонность воздуха и огня. Это разделение содержания вселенной в материи и силах все еще используется сегодня. Однако дискуссия между двумя школами мысли не была окончательно решена в пользу атомистов до первых лет нашего века. Эйнштейн предоставил одно из самых важных физических доказательств.
В то время уже были подозрения, что атомы не были, в конце концов, неделимыми. Несколько лет назад «коллега» Тринити-колледжа, Кембридж, Дж. Томсон, продемонстрировал существование материальной частицы, называемой электроном, которая имела массу менее одной тысячной массы самого легкого атома. Он использовал устройство, подобное трубке телевизора: лампа накаливания металлической нити освобождала электроны, которые, поскольку они имели отрицательный электрический заряд, могли быть ускорены с помощью электрического поля на экран, покрытый фосфором.
Радиоактивными являются все химические элементы с Z > 83, у элементов с Z < 83 имеются отдельные радиоактивные изотопы. Радиоактивное излучение является следствием внутриядерных процессов. В 1898г. французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Ро и радий Rа Установлено: все воздействия (механическое, давление, температура, электрическое и магнитное поля) не влияют на характер радиоактивного излучения.
Когда электроны столкнулись с экраном, генерировались вспышки света. Вскоре стало ясно, что эти электроны должны исходить от самих атомов. Он вывел это путем анализа того, как альфа-частицы, которые являются положительно заряженными частицами, излучаемыми радиоактивными атомами, отклоняются путем столкновения с атомами. Сначала считалось, что ядро атома состоит из электронов и разных количеств положительной частицы, называемой протоном. Чадвик получил Нобелевскую премию за это открытие и был избран директором Колледжа Гонвилла и Кая в Кембридже.
N – число радиоактивных ядер в данный момент времени; dN – уменьшение их числа за промежуток dt dN = –? N dt ? - постоянная для данного радиоактивного элемента, определяет вероятность распада каждого отдельного ядра атома за 1 с - постоянная радиоактивного распада; «-» показывает, что число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает.
1. Среднее время жизни (?) – время, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается в е раз. Для описания радиоактивного распада используют: 2. Период полураспада (Т) – промежуток времени, по истечении которого начальное число N0 ядер радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Т ядер от 10-7 до 1016 лет (238U ? 4,5 млрд лет, 226Rа – 1620 лет, 23Mg – 11,6 с)
Позже он ушел в отставку в качестве директора из-за разногласий с «ребятами». До двадцати лет назад протоны и нейтроны считались «элементарными» частицами, но эксперименты, в которых протоны сталкивались с другими протонами или высокоскоростными электронами, показали, что они фактически состоят из меньших частиц. Происхождение названия - загадочная цитата Джеймса Джойса: «Три кварка для Марка Марчера!». Существует определенное количество различных разновидностей кварков: считается, что существует по крайней мере шесть ароматов, которые мы вызываем, опускаем, странно, очаровываем, снизу и сверху.
Активность радиоактивного вещества в начальный момент времени. Активность радиоактивного вещества – число ядер, распавшихся за единицу времени. Единицей активности в системе СИ являются беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/секунда - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. кюри (Кu): 1Кu = 3.7·1010Бк (это активность 1г. чистого урана).
Альфа – распад Все радиоактивные распады происходят в соответствии с правилами смещения, являющимися следствием законов сохранения электрического заряда и массового числа. Длина пробега (пробег) ?-частицы – расстояние, на котором она производит ионизацию. Н.у. в воздухе пробег?4 см, зависит от источника?-частиц (для 238U – 2,7 см, 226Rа – 3,3 см, 232Тh – 2,8 см). В жидкостях и твердых телах – миллионные доли метра.
Бета- распад
Гипотеза о существовании нейтрино (антинейтрино) была обусловлена: 1. Энергетический спектр электронов (позитронов) при?-распаде непрерывен (в отличие от?-частиц), с резко обозначенным максимальным значением Екин. N – число частиц с данной Е. Иногда обозначают dN/dt (dN – число электронов, энергия которых заключена в интервале dЕ). => Распады, при которых Е электрона < Еmax , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. Введение?(??), обладающих энергией, решает проблему. 2. При?-распаде число нуклонов в ядре не изменяется (не изменяется массовое число А). Не должен меняться спин ядра. Вылет электрона должен изменить спин ядра на?h. Противоречие закону сохранения импульса спина. Введение?(??), имеющего спин?h, устраняет кажущееся нарушение закона сохранения спина. 1956 – Дэвис- экспериментальное доказательство существования?; Ли, Янг, Ландау – ? и?? имеют нулевую массу покоя, отличаются направлением спинов (у? - против движения, у?? - по движению).
Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжёлого W бозона
Нейтрино - это электрически нейтральная элементарная частица с о спином и нулевой (скорее < 10-4me) массой покоя. Проникающая способность нейтрино столь огромна, что затрудняет удержание этих частиц в приборах. Пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 1018м. Позитрон. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Бета- распад Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
3. Электронный захват (е-захват или К-захват) 1937 Луис Уолтер Альварес Если возникшее ядро в возбужденном состоянии > испускание?-фотона при переходе в более низкое энергетическое состояние. Ядро поглощает К-электрон (реже L- или M-электрон) атома, в результате один из протонов превращается в нейтрон, испуская нейтрино: Для ядер с Z < 100 (без исключения) существуют нестабильные изотопы, обладающие?+-активностью. Выделяемая в процессе распада энергия 0.02 ? 16.6 МэВ. ?-распад наблюдается только у самых тяжелых ядер, ?-активные ядра более многочисленны. Период полураспада?-активных ядер от 10-2 с до 4.1012 лет.
Alpha source beneath a radiation detector
Схема распада радиоактивной серии Указаны периоды полураспада
Излучение - коротковолновое э/м излучение с? <10-10 м, поток?-квантов (фотонов). Не отклоняется э/ м полем. Слабая ионизирующая способность, большая проникающая способность (проходит через слой Рb d=5 см). Излучение ядрами?-квантов не самостоятельный процесс. ?-излучение сопровождает?- и?-распады, не приводит к изменению структуры ядер. Может возникать при ядерных реакциях, торможении заряженных частиц. Падая на кристалл?-излучение дает явление дифракции. Опасно для биологических объектов! ?-излучение испускается дочерним ядром. Если в момент образования оно в возбужденном состоянии > через 10-13?10-14 с переходит в основное состояние с испусканием?-квантов. ?-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп?-квантов с отличающимися энергиями. При радиоактивных распадах ядер?-кванты имеют энергии от 0,01 до 5 МэВ. ?-спектр (распределение?-квантов по энергиям) является линейчатым. При?-излучении А и Z числа не меняются > оно не описывается правилами смещения.
Кванты не несут кулоновского заряда > не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении вещества толщиной dх интенсивность излучения меняется на dI Прохождение?-излучения через вещество сопровождается его поглощением. ? – линейный коэффициент поглощения, зависит от свойств вещества и энергии?-квантов Зависимость интенсивности?-излучения I на глубине х от I0 падающего узкого пучка на вещество и от?. Ослабление интенсивности?-излучения – результат взаимодействия?-квантов с электронной оболочкой атомов вещества и с их ядрами.
Процессы взаимодействия?-излучения с веществом: 1. Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение?-излучения) – процесс, при котором атом поглощает?-квант и испускает электрон. Фотоэффект происходит при взаимодействии?-квантов со связанными электронами. Электрон выбивается из внутренних оболочек атома, освободившееся место заполняется е из вышележащих оболочек > фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект – преобладающий механизм поглощения?-квантов при Е? ? 100 кэВ, т.е. менее 0,1 МэВ. При Е? ? 0,5 МэВ вероятность фотоэффекта мала. Основной механизм в этом случае > 2. Комптоновское рассеяние – упругое рассеяние коротковолнового э/м излучения (рентгеновского и?) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. При ^Е?-квантов до Е > 1,02 МэВ (=2mес2) становится возможно >
3. Образование электронно-позитронных пар. Вероятность этого процесса ~ Z2 и ^ с ростом Е?. При очень больших энергия (Е? ? 10 МэВ) основной процесс взаимодействия?-излучения с веществом – образование электронно-позитронных пар. При прохождении возникшего электрона через вещество, он может тормозиться: Возникает снова?-квант, называемый тормозным. Взаимодействует с ядром > рождение новой е-е+ пары. > Электронно-фотонная лавина. Процесс прекращается, когда Е образовавшихся частиц станет меньше критической. 4. Если Е? превышает энергию связи нуклонов (7-8 МэВ), может наблюдаться ядерный фотоэффект – выброс из ядра одного из нуклонов (чаще протона). ?-, ?-распады (в том числе электронный захват), ?-излучение, спонтанное деление тяжелых ядер, протонную радиоактивность (ядро испускает 1 или 2 протона – 1969 – Флеров) относят к числу радиоактивных процессов.
Ядерные реакции Взаимодействие частиц – при сближении до расстояний ~ 10-13 см - благодаря действию ядерных сил. Ядерная реакция – искусственное превращение атомных ядер, вызванное их взаимодействием друг с другом или с частицами a и b – нейтрон, протон, дейтрон, ?-частица, ?-фотон Наиболее распространенный вид ядерной реакции – взаимодействие легкой частицы a с ядром X
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году Ядерные реакции Энергетический выход ядерной реакции: Q = (MX + Mа – MY – Mb)c2 = ?Mc2 Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер > реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции. С поглощением энергии – эндотермические реакции
Ядерные реакции могут сопровождаться поглощением или выделением энергии. 1936 – Н. Бор – вызываемые быстрыми частицами ядерные реакции протекают в 2 этапа: С поглощением энергии – эндотермические реакции. Тепловой эффект (энергия реакции) – количество выделяющейся энергии (> 0 или < 0). Промежуточное ядро называют составным ядром или компаунд-ядром. Оно в возбужденном состоянии. 2. Составное ядро испускает частицу b. Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Называют прямыми ядерными взаимодействиями. 1. Ядро Х захватывает приблизившуюся к нему частицу а, образуя промежуточное ядро П («ядро-мишень» Х сливается с бомбардирующей частицей а, образуя новое ядро П). Сумма масс исходных ядер больше суммы масс конечных ядер > реакция с выделением энергии (энергия реакции положительная) – экзотермические реакции. Время жизни составного ядра 10-14 ?10-12 с. При ядерных реакция выполняются закон сохранения: электрического заряда, числа нуклонов, энергии, импульса, момента импульса.
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман Деление тяжелых ядер Цепная реакция деления
Цепная реакция деления
Схема ядерного реактора Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.
Взрыв атомной бомбы в Нагасаки (1945)
При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются: световое излучение ионизирующее излучение ударная волна радиоактивное заражение электромагнитный импульс психологическое воздействие изменения в половой системе склеротические процессы лучевую катаракту иммунные болезни радиоканцерогенез сокращение продолжительности жизни генетические и тератогенные эффекты Japanese woman suffering burns from thermal radiation after the United States dropped nuclear bombs on Japan in World War II.
Для преодоления потенциального барьера, обусловленного отталкиванием, ядра должны обладать Екин (~0,35 МэВ), соответствует Т~2.109 К. На поверхности Солнца 6000 К, центральных областей Солнца 1,3.107 К. Для осуществления реакции синтеза ядра надо сблизить на расстояние действия ядерных сил (~10-14?10-15 м). Для этого нужно преодолеть кулоновское отталкивание (р и др. легкие ядра заряжены «+»). Слияние легких ядер в одно ядро (ядерный синтез) сопровождается выделением большой энергии. Термоядерный синтез. Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T) Самая легко осуществимая реакция - дейтерий + тритий: Недостаток её- выход нежелательной нейтронной радиации.
Термоядерные реакции – источник энергии Солнца и звезд (Т~107?108 К). 1. При относительно низких температурах (~107 К). Протонно-протонный цикл Два пути синтеза ядер водорода в ядра гелия: Идея о термоядерном происхождении звезд - 1929 – Фридрих Хоутерманс.
2. При высоких температурах (> 2. 107 К) углеродный или углеродно-азотный цикл (Ханс Бете) Энергия, выделяющаяся на одно ядро гелия – 26.8 Мэв. В пересчете на грамм гелия – 700кВт*час
Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) - тороидальная установка для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается не стенками камеры, которые не способны выдержать её температуру, а специально создаваемым магнитным полем. Особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы. Международный экспериментальный термоядерный реактор Использование термоядерных реакций > не будет загрязнения окружающей среды (не образуются радиоактивные изотопы, в отличие от реакций деления ядер). Управляемый термоядерный синтез - практически неисчерпаемый источник энергии. Дейтерий для (1) содержится в морской воде (НDО и D2О) – хватит на сотни миллионов лет. Тритий > путем облучения жидкого лития (запасы велики) нейтронами от ядерного реактора (реакция 2).
Взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт (большинство Н-бомб имеют мощность 105?106 т) уничтожит все живое на 140 км от эпицентра Н-бомба была создана под руководством И.В.Курчатова и А.Д.Сахарова. Взрыв 12 августа 1953 на Семипалатинском полигоне. В настоящее время накоплено более 50 тысяч Н-бомб
В 50-х годах было открыто примерно столько же частиц > новые частицы «посыпались как из рога изобилия». Для объяснения ядерных сил потребовались?-мезоны, для объяснения?-распада – нейтрино. Далее открыли позитроны и мюоны.> Число элементарных частиц возросло с 4 до 10. Элементарные частицы – микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. 1932 – весь мир можно построить из 4 элементов – света (фотонов), протонов, нейтронов, электронов. Элементарные частицы. Систематика элементарных частиц. «Элементарная частица» – общее название частиц, не являющихся атомами или ядрами (исключение – атом водорода – протон). Ранее атомы считали «кирпичиками», из которых построен мир. Атомы оказались «делимы» > поиск основных элементов Вселенной.
На высоте? 20 км космическое излучение практически носит вторичный характер. В этом излучении есть все известные в настоящее время элементарные частицы. 1. Общее число элементарных частиц (вместе с античастицами) более 400. Свойства элементарных частиц: 2. Стабильные элементарные частицы – электрон е-, позитрон е+, протон р, нейтрон n, фотон, электронное нейтрино?е и антинейтрино??е. Остальные нестабильны, образуются во вторичном космическом излучении или с помощью ускорителей. Космическое излучение Первичное непрерывно падающий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии ~10 ГэВ, отдельных частиц 1010 ГэВ. Вторичное при неупругом соударении частиц первичных лучей с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы.
(1947 - в космическом излучении (Пауэлл и Оккиалини), предсказал Юкава (1935). ?+-мезоны, ? -- мезоны (?q?=?e?, m=273mе), нейтральные?0- мезоны (?q?=0?, m=264mе) Спин?-мезонов =0, нестабильны. Время жизни?+ и?- - 2,6.10-8 с, ?0 -0,8.10-16 с. ?-, ?+-мезоны, (?q?=?e?, m=207mе=106 МэВ), Спин мюона =1/2, нестабильны. Время жизни - 2,22.10-6 с
1. Мягкая компонента – сильно поглощается Рb. Состоит из каскадов (или ливней) электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада?0 - мезона или резкого торможения быстрого электрона?-фотон, пролетая вблизи ядра, создает е- е+ - пару. Торможение е- и е+ приводит к образованию?-фотонов. В составе вторичных космических лучей выделяют: Рождение пар и возникновение?-фотонов идет, пока энергии фотонов достаточно для образования пар. 2. Жесткая компонента – не проникает через большие толщи Рb. Состоит в основном из мюонов. Образуется преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных? - мезонов. Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле.
Для описания свойств частиц вводят: Массу частицы (m). Выражают в МэВ или ГэВ в соответствии с Е=mс2 . Среднее время жизни (?). Мера стабильности частицы. Для е-, р,?, ? ?=?. (?е >2. 1022 лет, ?р~2.1032 лет, ?n~898 с). Наиболее короткоживущие частицы - резонансы – имеют? < 10-22 с. Спин J – собственный момент импульса частицы, в единицах h. Электрический заряд (q) – характеризует способность частиц участвовать в э/м взаимодействии. Вектор собственного магнитного момента характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Магнитные моменты выражают в единицах магнетона Бора
Первая античастица - позитрон е+ - 1932 – с помощью камеры Вильсона в космическом излучении. Одинаковая масса m, время жизни? и спин J. Остальные характеристики равны по модулю, противоположны по знаку (q, pm). Позитроны образуются при соударении фотонов большой энергии с атомными ядрами. Встречаясь друг с другом аннигилируют. Частицы, не имеющие античастиц, называют абсолютно нейтральными (фотон, ?0-мезон, ?-мезон). Не способны к аннигиляции. У частиц есть античастицы. П. Дирак – 1930. Взаимопревращение элементарных частиц – одно из их фундаментальных свойств. Образующиеся частицы не содержатся в исходных, рождаются в процессах их соударения или распада.
Элементарные частицы принято классифицировать по типам взаимодействий, в которых они участвуют.
Примеры некоторых элементарные частиц
1) очень много адронов По современным представлениям, 6 лептонов и 6 антилептонов считаются истинно элементарными частицами, адроны – составными частицами, построенными из кварков. Существуют 6 типов кварков, их называют ароматами. Образуют 3 дублета (u, d), (с, s), (t, b). Доказательство составного характера адронов: 2) большинство адронов нестабильны 3) обнаружена внутренняя структура адронов Кваркам приписывают дополнительные характеристики – «цвет» (новое квантовое число) – красный (R), зеленый (G), голубой (B). Существует 3 сорта кварков каждого из 6 типов.
This is an artist"s concept of the Universe expansion, where space (including hypothetical non-observable portions of the Universe) is represented at each time by the circular sections. Note on the left the dramatic expansion (not to scale) occurring in the inflationary epoch, and at the center the expansion acceleration. The scheme is decorated with WMAP images on the left and with the representation of stars at the appropriate level of development. Image from WMAP press release, 2006 Artist"s depiction of the WMAP satellite gathering data to help scientists understand the Big Bang
A pie chart indicating the proportional composition of different energy-density components of the Universe, according to the best ?CDM model fits – roughly 95% is in the exotic forms of dark matter and dark energy
Лекция № 15 АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Опыты Резерфорда по наблюдению рассеяния - частиц показали, что атом имеет ажурное строение- большая часть пространства атома (радиус атома около 10 -10 м) не занята веществом. В центре атома находится ядро (радиус ядра 10 -15 -10 -14 м), в котором сосредоточена основная масса и весь положительный заряд атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся отдельные электроны. Заряд атомного ядра является одной из важнейших его характеристик. Оказалось, что величина заряда ядра атома любого элемента равна произведению заряда электрона на порядковый номер элемента в таблице Менделеева
Ядра атомов различных элементов обладают различными зарядами. В целом любой атом нейтрален, т.к. вокруг положительного заряженного ядра обращаются электронов, общий отрицательный заряд которых по абсолютной величине равен положительному заряду ядра.
Ядерные силы
Протоны и нейтроны, несмотря на взаимное отталкивание протонов, удерживаются внутри атомного ядра особыми силами, которые называются ядерными. Они являются самыми интенсивными силами природы.
2. Ядерные силы одинаковые по величине и характеру, действуют между каждой парой нуклонов (между двумя протонами, или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном, т.е. им свойственна зарядовая независимость).
3. Они в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому способны удерживать внутри ядра одноименно заряженные протоны.
4. Ядерные силы действуют на очень малых расстояниях (порядка 10 -15 м), т.е. являются короткодействующими. Область, в которой проявляется действие ядерных сил, называют «размером» атомных ядер.Протоны сильно отталкиваются от ядра. Ядерные силы относятся к классу сильных взаимодействий.
- Каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Поэтому удельная энергия связи нуклонов в ядре остается приблизительно постоянной при увеличении числа нуклонов (это не относится к легким ядрам). В связи с этим говорят, что ядерным силам свойственно насыщение.
- Величина ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Оказывается только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовать ядро- дейтрон. Если же спины у них антипараллельны, то интенсивность ядерного взаимодействия недостаточна для образования ядра.
- Протон и нейтрон в процессе ядерного взаимодействия могут обмениваться своими электрическими зарядами, так после взаимодействия нейтрон превращается в протон, а протон в нейтрон. Ядерные силы носят обменный характер.
Энергия связи. Энергия связи ядра- это энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Энергия связи- одна из важнейших характеристик прочности ядра.
, (15.1)
где - соответственно массы протона, нейтрона и ядра.
Энергия связи есть минимальное количество энергии, которое может обеспечить разделение ядра на составляющие его нуклоны.
Дефектом массы называют величину
. (15.2)
при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов масса всех нуклонов уменьшается на.
Радиоактивное излучение и его виды. При самопроизвольном распаде ядер испускаются лучи. Коротко охарактеризуем их. лучи это поток атомных ядер гелия (); - лучи поток быстрых электронов; - лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение (м). - лучи в отличие от и - лучей, не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полями.
Закон радиоактивного распада. Самопроизвольные превращения атомных ядер происходят по закону радиоактивного распада, согласно которому число ядер, распадающихся за единицу времени (скорость распада) пропорциональна количеству нераспавшихся ядер в данный момент времени
, (15.3)
где - постоянная распада, характеризующая скорость распада. Каждый вид радиоактивного вещества имеет строго определенную константу. Знак «минус» в (7.28) указывает на то, что в процессе радиоактивного распада общее число радиоактивных ядер уменьшается. Разделив переменные в уравнении (15.3) и проинтегрировав его
Получим
, (15.4)
где - начальное число ядер (при), - число распавшихся ядер в момент времени, - постоянная радиоактивного распада, - основание натуральных логарифмов. Равенство (15.4) выражает закон радиоактивного распада.
Ядерные реакции- это превращение атомных ядер при их взаимодействии с другими ядрами или с элементарными частицами. Символически наиболее распространенная ядерная реакция может быть записана следующим обра
Или, (15.5)
где Х и У - испускаемые и конечные ядра, и - бомбардирующая и испускаемая (их может быть несколько) в ядерной реакции частицы. Например,
Или коротко.
При ядерных реакциях меняются и внутренние свойства и состав взаимодействующих атомных ядер и происходит превращение элементарных частиц. Классифицируются ядерные реакции по тому, какими частицами они обусловлены: например, ядерные реакции под действием нейтронов, протонов и дейтронов и т.д.: ядерные реакции под действием -лучей (фотоядерные реакции). Первый класс ядерных реакций делят на группы, по типу испускаемых частиц: например, нейтронные ядерные реакции могут происходить с испусканием -частиц, протонов, дейтронов реакции), -реакции (радиационный захват нейтрона с испусканием -кванта).
Ядерные реакции под действием нейтронов (особенно медленных) нашли наиболее широкое практическое применение среди всех ядерных реакций. Очень часто при захвате медленных нейтронов самыми легкими ядрами происходят испускание заряженных часиц-протонов и -частиц. Например,
(15.6)
Ядерные реакции могут протекать как с выделением энергии (экзотермические реакции), так и с поглощением подводимой извне энергии (эндотермические реакции). Энергия,выделяемая и поглощаемая в ядерных реакциях в миллионы раз превышает энергию химических реакций. Поэтому в ядерной физике возможно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Закон Эйнштейна (с- скорость света в вакууме) дает связь изменения массы с энергией. Примером экзотермической реакции (с выделением энергии) является реакция, возникающая при бомбардировке лития протонами:
(15.7)
Энергетический эффект данной реакции можно вычислить по формуле
(15.8)
Из данных о массе атомов, можно определить.
Все ядерные реакции протекают в соответствии с законами сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма электрических зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел), образующихся в результате реакции ядер и частиц. При ядерных реакциях выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Многие из самых тяжелых ядер (под действием медленных нейтронов испытывают деление, что используется в ядерном реакторе. Самой распространенной ядерной реакцией под действием медленных нейтронов, является радиационный захват, который используется для изменения числа нейтронов с помощью кадмиевых стержней при работе реакторов и получения в реакторах всевозможных радиоактивных изотопов.
Ядерная реакция под действием протонов часто используется для получения различных радиоактивных изотопов, (как правило это изотопы). Например. Ядерные реакции под действием - частиц во многом схожи с ядерными реакциями под действием протонов.
Реакция деления ядра
Реакция деления ядра заключается в том, что тяжелое ядро под воздействием нейтронов (или других частиц) делится на несколько более легких ядер (чаще всего на два). Возникшие ядра называются осколками. Такое деления ядра сопровождается испусканием двух, трех нейтронов, называемых нейтронами деления. Осколки деления радиоактивны. Рассмотрим причину радиоактивности осколков. Отношение числа нейтронов к числу протонов у урана. В момент образования осколков у них должно быть такое же отношение. Но у стабильных ядер с массовым числом 100-140 (осколки деления имеют массовые числа в этом интервале) отношение, т.е. осколки содержат избыточное число нейтронов. Известно, что ядра с стаб . радиоактивны. Поэтому, осколки могут претерпевать ряд - превращений (при этом нейтроны превращаются в протоны, см.15.6) в результате чего соотношение в осколках становится таким же как и в стабильных изотопах. Запишем реакцию деления
(15.9)
Для характеристики цепной реакции деления вводится понятие коэффициента размножения нейтронов - k . Коэффициент размножения равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Коэффициент размножения определяет быстроту развития цепной реакции. Для развития цепной реакции необходимо, чтобы k . Коэффициент размножения нейтронов зависит от природы делящегося вещества, количества данного изотопа размеров и формы активной зоны. Критическими размерами активной зоны называют минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществить цепную реакцию. Масса делящегося вещества, которая содержится в данной активной зоне, называется критической массой.
Цепные реакции делят на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы- неуправляемая реакция. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.
Осн. 3 , 5 , 6 .
Доп. 24 .
Контрольные вопросы:
1.Приведите аргументы, показывающие, что в составе ядра не может быть электронов.
2. Как доказать зарядовую независимость ядерных сил?
3.Почему энергия, выделяемая при термоядерной реакции, существенно больше энергии, выделяемой при реакциях деления тяжелых ядер?