Атомные ядра и элементарные частицы

Лекция 6

Элементарные частицы и строение атомного ядра. В процессе изучения атомных ядер выяснилось, что кроме фотона и электрона существуют и другие фундаментальные частицы, называемые нуклонами (от английского nuclear – ядро). Во-первых, в состав ядер входят протоны – положительно заряженные тяжелые фермионы, масса которых m_p в 1836,5 раз больше массы электрона m_e, а заряд по модулю совпадает с зарядом электрона e. Заряд ядра, число электронов в нейтральном атоме, а следовательно, и порядковый номер элемента в таблице Менделеева определяются числом протонов Z, называемым зарядовым числом.

Для объяснения двух экспериментальных фактов: существования элементов, имеющих одинаковый номер в таблице Менделеева (изотопов от латинского «изо» – одинаковый и «топос» - место) и непропорциональности масс и зарядов ядер пришлось ввести нейтроны – нейтральные тяжелые фермионы. Впоследствии нейтроны были открыты экспериментально. Масса нейтрона незначительно (около 0,1%) больше массы протона.

При измерении масс ядер и атомов часто используется внесистемная единица - атомная единица массы (сокращенно а.е.м), равная 1/12 массы атома изотопа углерода . В атомных единицах m_p =1,0073 а.е.м; m_n =1,0086 а.е.м;

Свойства ядра элемента X определяются его составом, для описания которого кроме зарядового числа Z используется также массовое число A, равное числу нуклонов в ядре. Принятое в физике обозначение ядра имеет вид . Ядро имеет специальное название a–частица и обозначается буквой a. В атомном ядре нейтроны и протоны могут образовывать устойчивые системы за счет действующих между ними сил ядерного притяжения. Ядерные силы, в отличие от кулоновских, являются короткодействующими. Радиус их действия по порядку величины равен 10^-15 м. Поэтому нуклоны взаимодействуют не со всеми частицами, входящими в состав ядра, а лишь с ближайшими соседями. Это свойство ядерных сил называется насыщением.

Дальнейшие исследования показали, что столкновение электронов и протонов с большими энергиями порождает новые частицы, также названные элементарными. У каждой заряженной частицы есть античастица, отличающаяся только знаком заряда. Так, античастицей электрона является позитрон, а протона – антипротон. Тяжелые элементарные частицы сами имеют сложную структуру и состоят из субчастиц – кварков. Энергия взаимодействия кварков быстро растет с увеличением расстояния, поэтому в свободном состоянии они не существуют. Электрон и фотон по современным представлениям не имеют внутренней структуры.

Ядерные реакции. Атомные ядра и элементарные частицы, испытывают превращения, для описания которых используются уравнения ядерных реакций, аналогичные уравнениям химических реакций. В левой части уравнения записываются исходные ядра и частицы, а в правой – продукты реакции. В общем случае уравнение ядерной реакции имеет вид

. (6.1)

Здесь - целые коэффициенты, а символами обозначены элементарные частицы (нейтрон, протон, электрон, нейтрино, квант жесткого электромагнитного излучения и другие). В ядерных реакциях сохраняется суммарное зарядовое число Z и так называемое барионное число, которое в отсутствие рождения тяжелых сильно взаимодействующих частиц совпадает с массовым числом A.

Реакции ядерного распада. Частным видом ядерной реакции является реакция распада ядра или частицы. Уравнение распада ядра имеет вид

. (6.2)

Важным частным случаем ядерного распада является процесс α- распада, описываемый уравнением

. (6.3)

Исходное ядро может быть продуктом ядерной реакции. Так, например, при бомбардировке лития протонами происходят следующие реакции:

. (6.4)

Изотоп является нестабильным и в продуктах реакции не наблюдается.

Механизм a- распада состоит в туннельном прохождении a-частиц через потенциальный барьер, возни­кающий в результате конкуренции короткодействующих сил ядерного притяжения и дальнодействующих сил кулоновского отталкивания (рис. 6.1).

Рис. 6.1

Распад частицы описывается уравнением

. (6.5)

Например, уравнение распада нейтрона на протон p, электрон e и электронный антинейтрино имеет вид

. (6.6)

Эта реакция идет с выделением примерно 1 МэВ энергии, распределяющейся между электроном и антинейтрино. Если исходный нейтрон связан в ядре, образующийся протон остается в ядре, в результате чего зарядовое число увеличивается на единицу. Электрон и электронный антинейтрино покидают ядро, что приводит к возникновению b -излучения. Поэтому процесс распада нейтрона называется b - распадом (часто более точно -распадом). b -распад происходит в результате так называемого слабого взаимодействия.

Кроме и a и b лучей результатом ядерных реакций может быть g- излучение – это излучение квантов электромагнитного излучения высоких энергий при переходах атомных ядер из возбужденного состояния в состояния с меньшей энергией.

Закон радиоактивного распада. Скорость ядерного распада, в отличие от химического, практически не зависит от внешних условий. За одинаковое время распадается одинаковая доля ядер , где – число ядер в данный момент времени. Поэтому уменьшение числа ядер описывается уравнением

, (6.7)

где - константа скорости распада. Интегрируя уравнение (6.4) с начальным условием , получаем закон радиоактивного распада

. (6.8)

В ядерной физике принято для описания скорости распада использовать не константу скорости , а период полураспада , то есть время, за которое число ядер или частиц уменьшается в два раза. В соответствии с определением справедливо равенство

. (6.9)

Логарифмируя равенство (6.9), получаем связь между константой скорости и периодом полураспада:

. (6.10)

Следовательно, закон радиоактивного распада можно представить в виде

. (6.11)

Периоды полураспада частиц и ядер лежат в очень широком диапазоне от десятков миллиардов лет до миллиардных долей секунды. Нейтроны в свободном состоянии неустойчивы и распадаются согласно уравнению (6.5) с периодом полураспада около 11 минут. В то же время связанный в ядре нейтрон может иметь период полураспада, пре­вышающий миллионы лет, или быть стабильным.

Существуют элементарные частицы (например электрон, протон, фотон и другие), распады которых не обнаружены. Эти частицы, так же как частицы и ядра с большим периодом полураспада (превышающим 10000 лет), называются стабильными. Частицы и ядра с малым называются радиоактивными, или нестабильными.

Некоторые ядерные реакции могут происходить неоднозначно с различными конечными продуктами. Возможные схемы протекания ядерной реакции называются ее каналами.

Энергия связи ядра. Ядерная энергия. Как показывают точные измерения, в ядерных реакциях не выполняется закон сохранения массы. Разность масс исходных частиц и ядер и продуктов реакции называется дефектом масс . Так, например, при образовании ядра из свободных нуклонов дефект масс ядра определяется по формуле

, (6.12)

где M _яд – масса ядра. С точки зрения теории относительности изменение массы системы сопровождается изменением ее полной энергии:

. (6.13)

Наличие дефекта масс приводит к введению отличного от массы массового числа А – округленной до ближайшего целого массы, выраженной в а.е.м. Массовое число в ядерных реакциях сохранятся.

Формально закон сохранения массы не выполняется и в химических реакциях. Однако изменение энергии по сравнению с энергией покоя, а следовательно, и дефект масс химических реакций очень мал.

Положительный дефект масс ядра по сравнению с энергией свободных частиц соответствует энергии связи нуклонов, которая обеспечивает устойчивость ядра, несмотря на наличие сил электростатического отталкивания протонов. Вследствие насыщенности ядерных сил энергия связи почти линейно растет с ростом массового числа и удельная энергия связи ядра

(6.14)

меняется мало и для ядер элементов в средней части периодической системы составляет (28 < A < 138 то есть от до ) e» 8,5 МэВ/нуклон. Часто используется в ядерной физике единица энергии 1 Мэв=Дж =кал. В одной а.е.м заключена энергия 931,5 МэВ.

Рис. 6.2

Заметное уменьшение удельной энергии наблюдается для легких ядер, для которых не происходит полного насыщения ядерных сил. С другой стороны, добавление в ядро протонов увеличивает электрическую составляющую взаимодействия пропорционально квадрату зарядового числа. Вследствие этого и тяжелые ядра становятся менее устойчивыми, чем ядра из середины таблицы Менделеева. График зависимости удельной энергии связи от массового числа показан на рис. 6.2.

Для осуществления ядерных реакций, в которых суммарная энергия связи продуктов превышает энергию связи исходных ядер, необходимо затратить энергию. Дефект масс таких реакций отрицателен. Ядерные реакции с положительным дефектом масс проходят с выделением энергии. График на рис. 6.2 объясняет возможность выделения энергии при делении тяжелых ядер или синтезе легких. Каждый из этих типов ядерных реакций служит основой одного из направлений ядерной энергетики. Энергия, получаемая в результате реакции деления тяжелых ядер, называется ядерной (часто неточно – атомной). Энергия, получаемая при слиянии легких ядер, называется термоядерной. В любом случае энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в ядерной реакции, может быть определена по формуле

, (6.15)

где - массы продуктов реакции и исходных ядер и частиц соответственно.

Ядерная энергетика. Выделение энергии в результате осуществления ядерной реакции является лишь необходимым условием возможности использования процесса в энергетике. Так, например, скорость выделения энергии в реакциях a и b распада и большинство реакций ядерного распада вида (6.2), постоянно происходящих в природе, мала и не удовлетворяет требованиям энергетики. Для того чтобы процесс представлял практический интерес, необходим механизм управления его скоростью.

Как было указано выше, изменение внешних условий (температуры, давления, концентраций) в весьма широких пределах не сказываются на скорости ядерных реакций. В противоположность этому, период полураспада ядер очень сильно меняется даже при минимальном изменении их состава. Так, например, для изотопа урана период полураспада , а при изменении массового числа всего на единицу для изотопа скорость распада значительно увеличивается и . Таким образом, облучая стабильные ядра нуклонами или a-частицами, можно получить ядра с малым периодом полураспада. Это явление называется искусственной радиоактивностью. При этом для поглощения атомными ядрами заряженных частиц необходимо преодолеть кулоновское отталкивание, растущее с ростом зарядового числа. Поэтому искусственная радиоактивность тяжелых ядер чаще осуществляется при взаимодействии стабильных изотопов с нейтронами.

Ядра при поглощении нейтронов переходят в возбужденное состояние. Тяжелое составное ядро, возбужденное при захвате нейтрона, может разделиться на две части. Возбужденное ядро похоже на заряженную каплю жидкости, поверхность которой испытывает сильные колебания. Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением огромной удельной энергии по сравнению с энергией химических реакций. Для сравнения – энергия ядерных реакций ~ 1 МэВ, энергия химических реакций ~ 1 эВ в расчете на реагирующее ядро или молекулу соответственно.

Тяжелые ядра способны к делению, если для них выполняется условие . Изотоп урана способен к самопроизвольному делению с испусканием нейтронов. Испускаемые в процессе деления нейтроны способны вызвать деление других ядер урана и в достаточно большой массе вещества вызвать цепную реакцию деления в виде взрыва. При поглощении части нейтронов (чаще всего для этого используются кадмиевые стержни) цепной реакции деления можно придать управляемый характер. Такие процессы используются на атомных электростанциях для разогрева пара, который вращает турбины, соединенные с электрогенераторами. В природном уране цепная реакция не идет, так как доля изотопа менее одного процента. Составляющий основную часть природной смеси изотоп поглощает нейтроны и не поддерживает цепную реакцию. Для ее осуществления необходимо увеличить концентрацию по крайней мере до 2,5%. По разным оценкам запасов изотопа для обеспечения энергетических потребностей хватит человечеству на 50 – 100 лет. Существуют технические возможности одновременно с получением энергии превращать в способный поддерживать цепную реакцию изотоп плутония . Этого ядерного топлива хватит на 1000 лет.

Практически неисчерпаемым источником энергии является реакция синтеза легких ядер, например, в реакции слияния изотопов водорода дейтерия и трития

, (6.16)

при которой выделяется энергия 17,58 МэВ. Однако для осуществления этого процесса необходимо преодолеть электростатическое отталкивание, что возможно пока только при высоких температурах (откуда и название процесса – термоядерная реакция). В настоящее время реакции синтеза легких ядер с достаточным для практических целей энергетическим выходом осуществляются только в условиях ядерного взрыва. Разрабатываются различные варианты управляемой термоядерной реакции с удержанием возникающей плазмы магнитным полем, лазерным излучением, силами инерции ядер. Реализация управляемого термоядерного синтеза позволит полностью решить энергетические проблемы на Земле.

Дозиметрия радиоактивного излучения и защита от него. a-, b- и g - излучения вызывают ионизацию вещества, в котором они распространяются. Существуют различные методы регистрации и измерения интенсивности радиоактивных излучений. Для определения и учета величин, характеризующих ионизирующие излучения, введены понятия доз излучения: экспозиционная доза, поглощенная доза, эквивалентная доза.

Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучений – количественная характеристика излучения, основанная на способности излучений ионизировать воздух. За единицу экспозиционной дозы в системе единиц СИ принята такая доза, при которой в 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд 1 Кл электричества каждого знака. На практике широко применяется внесистемная единица измерения экспозиционной дозы – рентген (Р). Один рентген соответствует излучению, при котором в 1 см³ сухого воздуха образуется суммарный заряд ионов одного знака, равный (1/3)·10^-9 Кл. Энергия излучения, поглощенная единицей массы, называется «грей» (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг.

Поскольку различные виды излучения при одинаковой дозе вызывают различные по тяжести поражения живой ткани, для характеристики a- и b-излучения вводится понятие эквивалентной дозы. С этой целью вводится биологический эквивалент рентгена («бэр»). Так называется поглощенная энергия излучения, биологически эквивалентная 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. В среднем протоны, нейтроны и a-частицы приводят к поражениям живой ткани в 10, а многозарядные ионы в 20 раз более сильным, чем жесткое электромагнитное излучение.

Особенно чувствительными к облучению являются хрусталик глаза, репродуктивные и кроветворные органы. Предельно допустимой дозой облучения населения за год для чувствительных органов считается 0,05 бэр, для остальных органов 1 бэр. Смертельной считается доза однократного облучения, превышающая 200 бэр.Естественный радиационный фон, в большинстве местностей составляющий 10-20 мк Р/ч, не приносит вреда живым организмам. Значительные изменения естественной радиоактивности могут быть связаны с особенностями геологического строения. Так, например, некоторые виды гранита увеличивают радиационный фон до 50 мк Р/ч, вследствие чего применять их для внутренней отделки зданий нецелесообразно. Выходящий через разломы земной коры и скапливающийся в закрытых помещениях радиоактивный газ радон также значительно, хотя и на непродолжительное время, увеличивает естественный радиационный фон. Простое проветривание помещения значительно снижает радиацию. Для обнаружения и количественного измерения ионизирующих излучений используются различные дозиметрические приборы. Большей частью они регистрируют гамма-излучение.

Ослабление ядерного излучения при прохождении через слой вещества толщиной х подчиняется закону Бугера

. (6.17)

Коэффициент поглощения d сильно зависит от вида излучения и вещества. Заряженные частицы (a-частицы, протоны и тяжелые ионы) достаточно сильно поглощаются воздухом и любыми строительными материалами, и для защиты от этих видов радиации, как правило, специальных мер принимать не надо.

Для ослабления остальных видов излучения необходимо применять специальные меры. Весьма эффективно поглощает γ-излучения свинец, слой которого толщиной 1 см ослабляет излучение в среднем в 100 раз. Коэффициент поглощения железа и его сплавов примерно в 10 раз меньше, чем свинца. Остальные строительные материалы (бетон, кирпич, гранит, мрамор и другие) примерно в 100-130 раз слабее, чем свинец, поглощают радиоактивное излучение. Значительно (при высокой концентрации до 5-7 раз) повышают защитные свойства бетона и кирпича добавки барита (). К сожалению, барит уменьшает прочность строительных материалов, что ограничивает возможности его применения. Нейтроны плохо поглощаются свинцом и строительными материалами и сильно поглощаются бором, кадмием и их соединениями.

Дата добавления: 2014-01-20