Энергия связи ядра. Сильное взаимодействие

Открытие нейтрона.

В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Дж.Чедвик повторил эксперимент и пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это поток частиц с массой, близкой к массе протона.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы ⁴₂He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рисунке схематически показана структура нескольких легких ядер. Все эти эксперименты привели к определению состава ядра.

ΔЕ

р

р

n

n

n

р

ΔЕ

р

р

n

n

n

р

а

б

В процессе рождения ядра, изображенном на рисунке, нуклоны объединились в одну систему и в этот момент «лишняя» энергия, численно равная энергии связи должна выделяться, так как энергия конечного состояния теперь меньше, чем энергия начального состояния системы. Поэтому конечная энергия системы нуклонов, составляющих ядро, в связанном состоянии меньше, чем начальная энергия системы нуклонов в свободном состоянии на величину энергии связи, вычисляемой по закону сохранения и превращения энергии.

Это можно записать следующим образом: Е_К – Е_Н = Е_связ..– Е_своб. = ΔЕ_св.

Используя формулу Эйнштейна Е = mc² и параметры ядра Z и N, полученное равенство перепишется в виде: M_Яc²– (Zm_pc² + Nm_nc²) = Δmc². Здесь учтено, что в связанном состоянии нуклоны образуют массу ядра. Величина Δm, определяющая энергию связи ядра, отрицательна и называется дефектом массы, то есть сумма масс нуклонов в свободном состоянии больше суммы масс нуклонов в связанном состоянии (4.3):

Δm = M_Я– (Zm_p + Nm_n). (4.3)

ε (МэВ/нукл)

А

-9,0

-1,0

-2,0

-3,0

-4,0

-5,0

-6,0

-7,0

-8,0

II

I

График кривой удельной энергии связи

ε – Удельная энергия связи; А – число нуклонов в ядре. Римскими цифрами I и II отмечены, соответственно, процессы синтеза и распада ядер.

Если вычислить дефект массы в единицах а.е.м. и перевести в эквивалентную энергию (МэВ), то полученный результат даст энергию связи ядра. Поделив эту величину на количество нуклонов в ядре, будем иметь удельную энергию связи этого ядра. График удельной энергии связи в зависимости от А представлен на рисунке. Как это соответствует принципу минимума энергии взаимодействия для устойчивых систем, наиболее устойчивыми, судя по графику, являются ядра, принадлежащие средней части периодической таблицы элементов. Два процесса: синтез легких элементов и распад тяжелых приводят к выделению энергии.

,;

- 7,59

- 8,38

- 8,55

Ba

U

Kr

ε

(МэВ/Нукл)

- 1,11

- 7,07

- 2,83

ε

(МэВ/Нукл)

В 1896 году произошло открытие, которое стало родоначальником новых разделов науки: атомной физики и радиохимии. Французский ученый А.Беккерель случайно обнаружил, что любые минералы, в состав которых входят соединения урана, испускают некоторое неизвестное науке излучение. Его назвали радиоактивным.

Ядерные превращения. Природа α-, β-, γ-излучений.

Наличие нестабильных ядер, особенно среди тяжелых элементов, ведет к тому, что внутри системы происходят самопроизвольные процессы с изменением состава и энергии связи. Практически это приводит к спонтанному превращению ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающемуся излучением частиц.

Свойство атомов (ядер) вещества испускать при превращениях одну или несколько частиц называется активностью, а соответствующее этому свойству явление – радиоактивностью.

Излучения радиоактивных ядер были экспериментально исследованы по отклонению в электрическом и магнитном полях и по поглощению в веществе. В результате установлено, что существуют три основных вида излучения.

1. α-Излучение составляют тяжелые, положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью 10⁷ м/с и поглощаемые алюминиевой мишенью толщиной в несколько микрон. Спектральный анализ показал, что α- частицы являются ядрами гелия. В этом случае реакция превращения активного (материнского) ядра X в дочернее ядро Y с учетом законов сохранения кулоновского заряда и энергии-массы (массового числа или барионного (нуклонного) заряда, с которым познакомимся в разделе «элементарные частицы») может быть представлена следующим образом:

Вылет α –частицы из радиоактивного ядра, несмотря на удерживающую частицу в ядре сильное ядерное взаимодействие, называется туннелированием, а само явление – туннельным эффектом.

2. β‾-Излучение представляет собой поток легких отрицательно заряженных частиц, движущихся со скоростями близкими к скорости света в вакууме и поглощаемых алюминиевой мишенью толщиной около 1 мм. Этими частицами оказались электроны. Несколько позже был обнаружено β⁺-излучение положительных частиц (позитронов), являющееся гораздо более редким событием по сравнению с излучением электронов. Соответствующие реакции превращения ядер выглядят так:

,

.

Появляющиеся в результате реакции электронные антинейтрино и нейтрино на начальной стадии изучения процесса обнаружены не были, поэтому в записи уравнений реакций (6.2 и 6.3) эта частица заключена в круглые скобки.

Вылет электронов из ядра, несмотря на то, что электроны не входят в состав ядра, объясняется превращением одного из нейтронов в ядре в протон, что легко проверить, сравнивая состав ядра до распада и после.

Следовательно, нейтрон не является стабильной частицей.:

.

3. γ-Излучение представляет собой поток фотонов с большой энергией, обладающих хорошей проникающей способностью. Его называют жестким электромагнитным излучением ядер. Соответствующая реакция записывается следующим образом:

,

где звездочкой обозначено возбужденное ядро.

Переход ядра из возбужденного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в результате которого испускается один или несколько фотонов, называют радиационным переходом. При испускании одного γ – кванта ядро сразу переходит в основное состояние с минимальной энергией; при каскадном переходе последовательно испускается нескольких фотонов.

Дата добавления: 2013-12-13