73198

Физика атомного ядра. Радиоактивность

Лекция

Физика

Как уже известно современная физика установила что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Каково же строение атомного ядра Ключом к изучению атомного ядра послужило открытие французского ученого А.

Русский

2014-12-05

290 KB

0 чел.

Лекция №30. Физика атомного ядра. Радиоактивность.

I. Естественная радиоактивность.

Как уже известно, современная физика установила, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. К этому представлению пришел английский ученый Резерфорд в 1911 году на основе тщательных исследований по рассеянию быстрых частиц при столкновениями с атомами. Исследования Резерфорда базировались на ряде важнейших открытий, сделанных французским ученым А. Беккерелем при изучении люминесценции различных веществ в 1896 году и супругами французом Пьером и полячкой Марией Кюри, установившие наличие радиоактивных излучений не только у урана (Беккерель), но и у имеющихся в нем примесей.

Каково же строение атомного ядра?

Ключом к изучению атомного ядра послужило открытие французского ученого А. Беккереля явления естественной радиоактивности, которое заключается в непрерывном испускании радиоактивными веществами (типа уран, радий, плутоний) , и -лучей. Исследования этих лучей в магнитном и электрическом полях показали, что – лучи поток положительно заряженных частиц, -лучи – поток отрицательно заряженных частиц, -лучи – излучение нейтральное.

Дальнейшие исследования показали, что радиоактивные излучения способны вызывать биологические и химические действия, ионизировать, вызывать люминесценцию твердых и жидких тел, обладать большой проникающей способностью (-лучи наибольшей).

Температура радиоактивных веществ всегда выше температуры окружающей среды. Это говорит о том, что процесс радиоактивного распада сопровождается непрерывным выделением энергии.

В 1908 году Резерфордом было обнаружено, что в запаянной ампуле, содержащей небольшое количество соли радия (RaC2) появляются два новых, ранее там не находившихся газа – гелий и неизвестный в то время элемент – радон. Эти наблюдения привели к объяснению радиоактивности как самопроизвольно протекающего независящего от внешних факторов процесса распада атомных ядер.

В данном случае Ra (радий) распадается на Rn (радон) и He (гелий) (Не образуется в результате нейтрализации -частицы с электронами воздуха).

Все выше рассмотренное лишний раз указывает на сложность атомного ядра, поэтому целесообразно рассмотреть свойства радиоактивных излучений.

– лучи

Если схематически изобразить путь , и -лучей в магнитном поле ( перпендикулярен плоскости чертежа), то можно судить не только о заряде лучей, но и говорить о их массе (энергии). -лучи представляют собой поток ядер гелия (дважды ионизованные атомы гелия). Число -частиц, испускаемых крупинкой из m граммов Ra можно рассчитать, если подсчитать число вспышек N «сцинтиляций» за единицу времени при ударе об экран сернистого цинка.

,

где Δω – выделенный телесный угол.

Эта величина приблизительно равна 3,71010 частиц в секунду. Измерение суммарного заряда этих частиц показало, что заряда -частиц положителен и равен по численной величине двум зарядам электрона:

qa = 3,2·10-19 Кл

Скорость -частиц порядка (1,5-2)107 м/с, т.е. доходит до 20000 км/с, а энергия достигает 10 МэВ. Они обладают сильно ионизирующим и сравнительно слабо проникающим излучением. Зная энергию ионизации встречных молекул Еион и измеряя полное число пар ионов N, создаваемых -частицей на пути R ,можно оценить первоначальную энергию -частицы:

Ea = N·Еион (≈ 10 МэВ).

Обладая такой большой энергией, -частицы на своем пути в газах создают сотни тысяч пар ионов. Пробег их в воздухе R  (2,5 ÷ 11,5) см. Для данного радиоактивного вещества R -частицы почти одинаков, что указывает на однородность скоростей -частиц при их выбрасывании из ядра. Зависимость R от начальной скорости v:

R av3,

где а – коэффициент пропорциональности, зависит от материала вещества, в котором движутся -частицы.

– лучи

Измерение удельного заряда е/m показало, что -частицы – поток быстрых электронов. Скорость -частиц различна и достигает 0,999 с. Это говорит и о том ,что энергия -частиц различна:

0 Е  10 МэВ

По сравнению с -частицами это менее ионизирующие, но более проникающее излучение (проходит через слой А1 в несколько мм.)

– лучи

Представляя собой кванты очень большой энергии (от 0,1 до 10 МэВ). Отсутствие отклонения в магнитном поле и большая проникающая способность -лучей (проходят через сантиметровые толщи свинца), указывают на аналогию их с рентгеновскими лучами.

Действительно, с помощью кристаллических решеток удалось наблюдать дифракцию -лучей и определить их длину волны (  10-10 см). Наличие -лучей показывает, что ядра могут находиться в возбужденном состоянии, аналогично возбужденным состояниям атома при испускании видимого света или рентгеновских лучей.

Таким образом, подведём итог:

1. Энергии -, - и -частиц – порядка 1 ÷ 10 МэВ.

2. Энергии связи внешних электронов в атоме 6 ÷ 10 эВ.

3. Энергии химических превращений 2 ÷ 5 эВ.

Вывод:

Энергии, выделяемые радиоактивными элементами, обязаны не превращениям электронных оболочек, а связаны с перестройкой ядер этих элементов. Поскольку - и -частицы заряжены, то при этом должны меняться заряд и атомный номер ядра, т.е. оно превращается в ядро другого химического элемента.

II. Законы радиоактивных превращений.

Основными характеристиками ядра являются заряд и его атомный вес. Обозначим через Z заряд ядра, равный порядковому номеру таблицы Менделеева; атомный вес – через А, т.к. атомные веса элементов имеют дробные значения, то их округляют до целочисленных значений.

Целая часть атомного веса элемента называется массовым числом М.

Первоначально имеющееся ядро обозначается символом Х – «материнское» ядро; получающееся ядро в результате распада Y – «дочернее» ядро.

Тогда ядро записывается:

Пример:  ядро водорода –  ;

ядро гелия – ;

ядро рубидия – ;

электрон – .

Последовательная цепь радиоактивных превращений и образование новых веществ приводит к образованию радиоактивных семейств. В настоящее время известны несколько семейств: 238U, 235U, 232Th и 232Np.

Правила, позволяющие определить принадлежность ядра-продукта по типу радиоактивности, называются правилами смещения.

Правила смещения

                 (1)

Выражаемые этими правилами изменения химических свойств при радиоактивном распаде полностью подтверждены на опыте.

Рассмотрим в качестве примера семейство урана:

Уран и торий имеют от всех других то отличие, что их продукты распада в свою очередь являются радиоактивными и образуют цепочку до 14-15 звеньев, а конечный итог – ядро свинца .

Если внимательно рассмотреть ядра элементов (при рассмотрении цепочки), то можно видеть, что, например:

а) ядра одного и того же химического элемента Pb имеют разные массовые числа: 214, 210, 206;

б) ядра разных химических элементов имеют одинаковые массовые числа М: , , .

В первом случае ядра одного элемента называются изотопами элемента.

Во втором случае ядра разных элементов называются изобарами.

За единицу измерения массы в атомной и ядерной физике принята 1/12 массы атома наиболее распространенного в природе изотопа углерода 12 (или 1/16 изотопа кислорода 16). 1 а.е.м. = 1,6610-27 кг.

Почти все вещества (элементы) имеют изотопы:

Олово – 11; Pb – 8; Hg – 3 и т.д. Массы атомов изотопов, выраженные в а.е.м. являются целочисленными (до сотых долей).

Пример:

Атомный номер

Химический элемент

Изотопы

Атомный вес, а.е.м.

1

Водород

(D)

(T)

1,008985

2,014735

3,017005

2

Гелий

3,016986

4,003873

6

Углерод

12,003803

13,007478

8

Кислород

16,00000

17,004534

18,004855

Отсюда вывод: атомные ядра изотопов всех элементов построены из одних и тех же частиц.

III. Закон радиоактивного распада.

Теперь рассмотрим вопрос – как быстро протекает распад ядер?

Этот распад – статистический и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за данное время. Закономерность распада большого числа ядер вскрывается через случайность распада каждого из них.

Найдем вид основного уравнения радиоактивного распада. Пусть N – наличное количество атомов радиоактивного вещества. За время dt количество распавшихся атомов – dN – величина, на которую уменьшилось N. Причем dN  dt и N, т.е.

dN = –·N·dt,

где – постоянная радиоактивного распада (постоянная – т. к. свойства ядер со временем не меняются);

 « – » – указывает на уменьшение N в процессе распада.

Дифференциальный закон радиоактивного распада

               (2)

Величина – активность препарата – число распадов за единицу времени.

[а] = 1 Кюри = 3,71010 расп/с (беккерель – Бк).

Уравнение (1) применимо, когда dN  N.

При dt = 1:   – физический смысл  

Постоянная равна вероятности распада одного ядра за единицу времени.

Интегрируя (2), получим:

,

где N0 – начальное число распадающихся атомов (t = 0).

Основное уравнение радиоактивного распада

       (3)

Представим этот закон графически (это экспонента).

За время равное Т, которое называется периодом полураспада, количество распавшихся атомов равно ½ первоначальному, т.е. N = ½N0.

Т.к. масса вещества пропорциональна количеству атомов, то

 m = N·m1,

где m1 – масса отдельного атома.

Интегральный закон радиоактивного распада

       (4)

Интегральный закон радиоактивного распада показывает, какое количество вещества остаётся не распавшимся через время t, после начала наблюдения процесса.

Из основного уравнения радиоактивного распада (3) можно рассчитать количество вещества остается не распавшегося за время t, после начала наблюдения процесса:

ΔN = N0N = N0N0·e-λt = N0·(1 – e-λt)

      (5)

– средняя продолжительность жизни данного радиоактивного элемента – характеризует скорость распада (для Ra   = 2540 лет).

Из уравнения (4), когда t = T, то m = ½ m0 или ½ = е-T

λ·Т = ln2 или       (6)

Чем меньше T, тем более радиоактивно вещество.

Примеры: период полураспада 4,5109 лет; 1,391010 лет.

Уже миллиарды лет на Земле идет распад радиоактивных элементов. Причем распадаются не только «материнские», но и «дочерние» элементы (но периоды распада разные). Определим равновесное количество данного радиоактивного вещества B, возникающего из «материнского» А:

убыль ядер А:  –dN1 = λ1·N1·dt;

убыль ядер А = прибыли ядер В;

прибыль ядер В:  (dN2) = λ1·N1·dt;

теперь В само распадается: (–dN2) = λ2·N2·dt

Равновесие будет, когда убыль и прибыль станут равны, т.е.

(dN2) = (–dN2) или λ1·N1·dt = λ2·N2·dt

и т.д.      (7)

Данное соотношение (7) показывает, что в равновесии числа распадающихся в секунду ядер (активность) всех исходных и промежуточных продуктов одинаковы и общая активность препарата равна активности исходного продукта, умноженной на число звеньев. Данное соотношение позволяет найти по N1 и N2 отношение между постоянными распада без измерения одной из них.

IV. Состав и строение атомных ядер.

Периодический закон Менделеева и практическая целочисленность атомных весов указывают на сложность строения атома и общность структурных элементов всех атомов. Электрические заряды ядер оказались целыми кратными заряда ядра водорода, называемого протоном, а массы изотопов – близкими к целым кратным массы того же протона. Эти обстоятельства привели к возрождению гипотезы Проута – протоны являются структурными элементами всех ядер. Наличие общих структурных элементов подтверждается фактом взаимных превращений одних ядер в другие при радиоактивном распаде.

Однако при естественном распаде радиоактивных элементов не наблюдалось вылета протонов, а выбрасывались - и -частицы, поэтому естественно было предположить, что ядра состоят из этих частиц. Однако такое предположение приводило к явным противоречиям:

Для -частиц: -частица имеет Z = 2 и М = 4.

С одной стороны, есть много тяжелых ядер с М, не кратным четырем: 238U; 239Pu (плутоний) и др.

С другой стороны, имеются легкие ядра с М 4: ; .

Для -частиц: изучение строения линий спектров показало, что у большинства элементов это строение имеет так называемую сверхтонкую структуру.

Пример: Д-линия Na при наблюдении в призменный микроскоп видна как двойная линия с = 5890  и = 5896 , т. е. в виде дуплета. Это объясняется тем, что электрон обладает собственным магнитным моментом  и его взаимодействие с орбитальным магнитным моментом приводит к появлению дополнительной энергии взаимодействия, вследствие чего каждый энергетический уровень расщепляется.

Далее американский физик А. Майкельсон показал, что компоненты сверхтонкой структуры в свою очередь тоже имеют еще более тонкую структуру – сверхтонкая структура спектральных линий (например, Д для Na). =5890  на две с =0,021 ; =5896  на две с =0,023 ).

Объяснение этому явлению дал в 1924 году швейцарский физик Паули:

Расщепление вызвано наличием у ядер магнитного момента  и момента количества движения (спина) .

Причем  в 657,5 раза.

Изучение магнитного момента ядра привело к тому, что, если предполагать наличие в ядре электронов, то их должно быть только четное количество (для компенсации спинов), иначе нельзя было объяснить порядок величины магнитного момента ядра. У гелия  по предположению – 2 электрона, у  – 6 электронов, а у  – 7 электронов (это было определено экспериментально по чередованию линий комбинационного рассеяния).

Такое противоречие теории и опыта было названо «азотной катастрофой».

В 1931 году И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри при бомбардировке -частицами легких элементов Li, Be, B обнаружили интенсивное испускание сильного проникающего излучения, которое хорошо задерживается парафином и другими веществами, содержащими водород. Английский физик Чадвик выдвинул предположение, что это излучение представляет собой поток новых частиц – нейтронов, масса которых равна массе протона (mn = mp) и лишенных электрического заряда.

Открытие нейтрона Чадвиком (1932 год) послужило толчком к созданию модели атомного ядра, которая в том же году была предложена советскими физиками Д.Д. Иваненко и Е.Н. Гапоном. Согласно их гипотезы ядра атомов состоят только из протонов и нейтронов. Этим решалась «азотная катастрофа», становился понятным малый магнитный момент ядра:

p = 2,7927я; n = 1,9131я,

где я – ядерный магнетон.

Представление о протонно-нейтронном составе атомных ядер подтверждено экспериментально и является общепризнанным.

Согласно протонно-нейтронной модели атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Заряд ядра Z соответствует числу протонов, а число нейтронов находится по массовому числу М:

Таким образом M = N + Z – дает число нуклонов – частиц, входящих в состав ядра. Такое строение атомного ядра дает простое отличие изотопов – разное число нейтронов.

Изучение взаимодействия быстрых частиц () с атомными ядрами (по их отклонению при прохождении сквозь тонкие слои металлов) позволило оценить размеры ядер, величина которых зависит от порядкового номера элемента. Эмпирическая формула Rядра:

,

т. е. объем ядра числу нуклонов. Средняя плотность ядер равна: ρ ≈ 1,45·1017 кг/м3. Можно считать, что нуклоны практически плотно прижаты друг к другу.

Вопрос. Какие силы удерживают нуклоны в ядре? Почему протоны не разлетаются несмотря на электрическое отталкивание?

Ньютоновские силы притяжения не могут быть – их величина не превышает 10-14 МэВ.

Это взаимодействие называется сильным, а силы – ядерными.

Теория ядерных сил еще не построена, однако, целый ряд качественных и количественных характеристик изучен:

Свойства ядерных сил

1. Являются силами притяжения.

2. Наличие ядерных сил обусловлено существованием материального ядерного поля.

3. Источником ядерного поля являются нуклоны. Эти частицы обладают «ядерным зарядом», одинаковым по величине и знаку у всех нуклонов (независимо от электрического заряда).

4. Ядерные силы короткодействующие (не более 310-13 см). Потенциальная энергия взаимодействия нуклонов ; a и r0const, r – расстояние между нуклонами.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения (подобно химическим силам: если есть еще атом кислорода, то взаимодействия не будет) по другому: нуклоны могут взаимодействовать только со строго определенным количеством соседей.

6. Не являются центральными силами: их нельзя представить в виде сил, действующих от одного центра сил. Это обусловлено наличием спина взаимодействующих частиц.

Рассмотрим несколько гипотез о природе ядерных сил.

А. Гипотеза Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм.

Нуклоны в ядре испытывают непрерывное превращение. Нейтрон испускает электрон и превращается в протон, а протон, поглощая электрон, превращается в нейтрон:

Т.е. между взаимодействующими частицами протон-нейтрон находится заряженная легкая частица, которая и осуществляет притяжение нуклонов (хорошее качественное объяснение, но малая величина сил).

Б. Гипотеза японского физика Юкава.

Взаимодействие нуклонов осуществляется с помощью тяжелых частиц мезонов (m мезона = 200me), сейчас мезоны (m = 300 me).

Вывод: Ядерные силы – силы обменного характера, т. е. осуществляются путем обмена частиц между взаимодействующими нуклонами.

Экспериментально установлено, что масса любого ядра mя меньше суммы масс свободных нуклонов, входящих в его состав, т.е.

mя = zM < M0 =Z·m0p + (A – Z)·m0n

Разность  называется дефектом массы ядра.

M – показывает, что для полного расщепления ядра на составляющие его нуклоны нужно увеличить его массу на M.

Используя закон взаимосвязи массы и энергии:

ΔE = Δm·c2 (или  – всякое изменение запаса энергии на E сопровождается изменением массы m), получим:

 – энергия связи образовавшегося ядра.

В момент соединения нуклонов в ядро эта энергия выделяется, например, в виде квантов излучения (унесших с собой массу M).

С другой стороны, энергия связи есть то минимальное количество энергии, которое может обеспечить разделение ядра на составляющие его нуклоны.

Частное от деления энергии связи ядра на число нуклонов, содержащихся в ядре, называется удельной энергией связи:

Рассмотрим график экспериментальной кривой удельной энергии связи для всех основных изотопов:

Из графика видно, что почти для всех атомов Eуд.св порядка 7,5 8,5 МэВ/нуклон. Постоянство Eуд.св говорит о том, что ядерные силы малым радиусом, так что энергия связи каждой частицы определяется ее взаимодействием с соседними частицами, но не со всеми частицами ядра.

Самые устойчивые ядра в середине таблицы (у которых больше Eуд.св), понижение Eуд.св до 7,5 у тяжелых элементов обусловлено кулоновским отталкиванием большого количества протонов в ядре.

В области малых массовых чисел (А ≤ 12) Eуд.св претерпевает ряд скачков, причём «пики» характерны для ядер с чётным числом протонов и нейтронов , минимумы – для ядер с нечётным числом протонов и нейтронов .

Из зависимости удельной энергии связи от массовых чисел следует, что энергетически выгодны следующие процессы:

1) деление тяжёлых ядер на более лёгкие;

2) слияние лёгких ядер в более тяжёлые.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерные реакции).

Создание единой теории атомного ядра до настоящего времени затруднено из-за сложного характера и недостаточности данных о ядерных силах, из-за громоздкости и трудности точного решения квантовых уравнений, описывающих движение большого числа нуклонов в ядре, из-за обязательности учета движения нуклонов вследствие сильного взаимодействия между ними. Поэтому в теории ядра используют модельный подход, основанный на аналогии свойств атомных ядер со свойствами, например, жидкой капли, электронной оболочки атома и т.д.: соответственно модели ядер называют капельной, оболочечной и. т.д.

Каждая из моделей описывает только определенную совокупность свойств ядра, а потому, обладая ограниченными возможностями, не может дать его полного описания.

Капельная модель (Н.Бор, Я.И.Френкель, 1936 год) – простейшая и исторически первая модель ядра; она базируется на аналогии в поведении нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами – молекулами в жидкости и нуклонами в ядре – являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Кроме того, для капли жидкости характерна постоянная плотность вещества, не зависящая от числа молекул, входящих в каплю. Ядра также характеризуются примерно одинаковой плотностью ядерного вещества, не зависящей от числа нуклонов в ядре. В капле жидкости и атомном ядре наблюдается определенная подвижность составных частиц. Наконец, объем капли, так же, как и объем ядра пропорционален числу частиц. Подобное сходство свойств позволило трактовать в капельной модели ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики.

Капельная модель позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакций деления ядер. Однако она не смогла объяснить, в частности, повышенную устойчивость некоторых ядер.

Оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, X. Йенсен, 1940-1950 годах) – отдельные нуклоны в ядрах движутся в усредненном поле окружающих нуклонов (самосогласованное поле). Замена реальных сил самосогласованным полем, одинаковым для всех нуклонов ядра, сводит задачу многих тел к задаче об одной частице. Состояния отдельных нуклонов в таком поле характеризуются набором квантовых чисел (n, 1, j, mj). Каждому значению n соответствует определенная оболочка ядра (понятие оболочки заимствовано из атомной физики).

Итак, согласно оболочечной модели, нуклоны в ядре распределены по дискретным энергетических уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, а устойчивость ядер связывается с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые ядра действительно существуют. Их называют магическими. Из опыта известно, что магическими являются ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов и нейтронов. Существуют также и дважды магические ядра – ядра, в которых магическими являются как число протонов, так и число нейтронов (этих ядер насчитывается всего пять  и они являются особенно устойчивыми).

Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких и средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии.

По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые факты, не укладывающиеся в рамки описанных моделей. Так возникли обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и т.д.

 V. Закономерности радиоактивных распадов.

В заключении остановимся вкратце на основных закономерностях -, - и -распадов.

1. -распад и туннельный эффект.

Радиоактивный распад находит свое объяснение на основе принципов квантовой механики. Изучение распределения электрического потенциала ядра показывает, что он может быть изображен в виде потенциального барьера, окружающего внутреннюю часть ядра.

На рисунке показано распределение потенциала φ (или потенциальной энергии W) единичного положительного заряда вблизи ядра.

Расстояние rя – соответствует радиусу ядра. Этому расстоянию соответствует максимум потенциальной энергии (максимальная высота потенциального барьера) – W0. На r  rя потенциал изменяется по кулоновскому закону. При r  rя вступают в действие ядерные силы притяжения. При r  rя потенциальная энергия убывает до некоторой отрицательной постоянной величины внутри ядра. Следовательно, внутри

ядра частицы находятся как бы окруженные потенциальным барьером.

Согласно законам классической механики частицы не могут выйти за пределы потенциального барьера, если их Wa  W0.

Квантовая механика допускает прохождение частицы сквозь потенциальный барьер.

Причины различия?

Классическая механика рассматривает частицу как классическую корпускулу, имеющую точечные координаты. По квантовой механике – любая частица вещества не локализована в точке, так как обладает волновыми свойствами. волны, как известно, обладают некоторой конечной вероятностью прохождения через потенциальный барьер. Значит, эту вероятность имеют и частицы ядра. Прохождение через потенциальный барьер носит название туннельного эффекта. Решение уравнения Шредингера показывает, что вероятность туннельного эффекта тем больше, чем меньше W0 и ширина барьера (увеличение вероятности туннельного эффекта означает уменьшение периода полураспада).

Пройдя потенциальный барьер, частицы обладают кинетической энергией Wк.

Как показывают исследования, все -частицы для данных ядер обладают кинетической энергией только строго определенных величин. Это может быть объяснено только тем, что внутри ядра энергия этой частицы может принимать лишь дискретные значения:

E0  E1  E2…,

где E0 – наинизший энергетический уровень – нормальный,

Ei – более высокие – возбужденные.

2. -лучи и их взаимодействие с веществом.

Для перехода ядра из нормального состояния в возбужденное ему надо сообщить порцию энергии (EiE0). В свою очередь, возбужденное ядро будет, как правило, переходить в нормальное состояние с испусканием кванта -лучей с энергией:

i = EiE0

Таким образом, наряду с испусканием -частиц происходит испускание -фотонов. Для данного сорта атомных ядер имеется дискретный набор частот -излучений, определяемый совокупностью энергетических уровней в атомном ядре.

Для случая - и -частиц имеются дискретные спектры излучения этих частиц.

При прохождении узкого параллельного пучка -лучей через вещество их интенсивность J непрерывно изменяется за счет поглощения и рассеяния. Уменьшение интенсивности – dJ при прохождении слоя dx выражается уравнением:

–dJ = μ·J·dx,

где – коэффициент пропорциональности, зависит от природы вещества и энергии падающих квантов.

Интегрируя, получим:

,

где - коэффициент линейного поглощения;

[] = м-1.

Эта формула справедлива для однородного вещества.

Интерес представляет величина слоя (толщина) вещества, на котором интенсивность пучка падает в 2 раза. Ее обозначим: X0,5

X0,5 называется слой половинного ослабления -лучей данным веществом.

Пример: для уменьшения интенсивности -излучения радиоактивного изотопа 60Co (кобальт) с энергией кванта 1,25 МэВ необходима толщина защитного экрана: из свинца ≈ 8 мм; из Fe ≈ 16 мм.

Воздействие излучения на вещество характеризуется дозой облучения (Д) (это понятие применимо ко всем видам ионизирующих излучений – рентгеновские, , , и др.).

[D] = рентген (Р)

1Р – это поглощение такого количества рентгеновского и -излучения, при котором сопряженная с ним корпускулярная эмиссия образует в 0,0012932 воздуха (т. е. в 1 см3 воздуха при нормальных условиях), количество ионов суммарного заряда по 3,33·10-10 Кл каждого знака.

Безопасная для человека доза облучения 0,05 р за рабочий день (космическое излучение и излучение земной коры за день ≈ 210-4 Р). При воздействии 50 ÷ 100 Р происходит временная нетрудоспособность до восстановления организма. Доза облучения 500 Р – смертельный исход. Измерение дозы производят дозиметром.

Мощность дозы облучения:

– количество рентген за единицу времени.

Более полное выражение:

,

где b – коэффициент пропорциональности, зависит от типа излучения и свойств облучаемого вещества;

a – активность излучения;

r – расстояние (для точечного источника);

d – толщина защитного экрана.

3. -распад. Нейтрино.

Дальнейшие исследования радиоактивных излучений показали, что в случае испускания -частиц имеются сплошные спектры, т.е. испускаются электроны (или позитроны) со всевозможными энергиями от 0 до max.

Т.к. атомное ядро имеет строго определенные дискретные уровни энергии, то испускание -частиц со сплошным спектром энергий долгое время оставалось непонятным.

Паули дал следующее объяснение этому явлению:

При вылете электрона из ядра одновременно вылетает и другая частица, которая тоже уносит часть энергии. Сумма энергий Wе + Wчастица = max энергии электрона, т.е. является для данного ядра постоянной величиной, как и в случае -распада. Однако распределение энергии между электроном и частицей случайно, т.е. совершается по статистическим законам.

Сейчас доказано, что такая частица действительно существует и участвует в процессах радиоактивного распада и других превращениях элементарных частиц. Эта частица получила название нейтрино ( не обладает массой покоя, заряд равен нулю). Обладает спином (моментом количества движения) равным .

Нейтрино слабо взаимодействует с веществом, т. е. обладает большой проникающей способностью, что и потребовало много усилий для экспериментального доказательства существования этой частицы.

Испускание электронов при радиоактивном превращении рассматривается как процесс превращения нейтрона в протон:

,

где  – антинейтрино.

О превращениях микрочастиц речь будет идти в следующей лекции.


х

х

х

х

R

γ

β

х

х

х

х

R

α

γ

β

82Pb

83Bi

84Po

82Pb

81Tℓ

84Po

82Pb

83Bi

86Rn

92U

90Th

88Ra

91Pa

90Th

γ

γ

γ

γ

γ

β

β

γ

α

α

92U

β

α

α

α

α

α

α

α

210

206

226

218

222

210

214

214

210

210

230

234

234

234

238

φ

(W)

W0

rя

r

Еуд.св.

А

(атомный вес)

7,5 МэВ

8,6 МэВ

9

7

1

250

200

100

150

50

0

N0

N

e-λt

T

t

T


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74942. Умножение чисел, заканчивающихся нулями 126.5 KB
  Цель: закрепить навыки умножения чисел заканчивающихся нулями на однозначное число; совершенствовать навыки устного счета навыки решения задач; развивать логическое мышление математическую речь внимание умение работать в группах; воспитывать интерес к математике чувство товарищества.
74943. Круглі числа. Периметр прямокутної ділянки. Знаходження суми та різниці багатозначних чисел 394.5 KB
  Мета уроку: повторити закріпити поглибити удосконалити знання учнів із розділів Круглі числа. Робота з круглими числами Дивлячись на утворені числа назвіть по пам’яті первоначальні числа. Я хочу ще додати інформацій про бджіл вчитель називає та вивішує числа...
74944. Ділення з остачею на двоцифрове число 136.5 KB
  Удосконалювати вміння розв’язувати задачі на пропорційне ділення. Розвивати обчислювальні навички. Під час подорожі ми ознайомимося із діленням з остачею на двоцифрове число закріпимо вміння ділити числа що закінчуються нулями удосконалимо вміння розв’язувати задачі.
74945. Умножение многозначного числа на однозначное число 447 KB
  Цели: продолжать знакомить учащихся с приёмом письменного умножения многозначного числа на однозначное число; совершенствовать устные и письменные вычислительные навыки; развивать умение решать задачи; закреплять умение рассуждать делать выводы.
74946. Правило обчислення площі прямокутника та його застосування. Знаходження значень виразів на сумісні дії 162 KB
  Мета: повторити поняття «площа» та «квадратний сантиметр»; навчити користуватись правилом обчислення площі; проводити роботу, спрямовану на запобігання змішувань понять «площа» і «периметр»; розвивати логічне мислення, пам’ять; виховувати організованість і дисципліну розумової праці дітей.
74947. Дроби. Вершки и корешки 138.5 KB
  Деление на команды Все вы знаете русскую народную сказку Вершки и корешки. Мы разделимся на команды Вершки и Корешки. Команды это I и II вариант. Сейчас проведем тендер конкурс на право выбора названия варианта-команды: команда числителя Вершки и команда знаменателя Корешки.
74949. Заміна одних одиниць вимірювання величин іншими. Розв’язування задач на дві дії та складання обернених задач 129.5 KB
  Заміна одних одиниць вимірювання величин іншими. Формувати вміння використовувати набуті знання для заміни одних одиниць вимірювання величин іншими. Познайомити учнів зі старовинними одиницями вимірювання довжини і маси.
74950. Розв’язування задач на знаходження швидкості, часу та відстані 92 KB
  Мета: Ознайомити учнів зі способами визначення відстані, швидкості та часу; за допомогою пилки» формувати вміння розв’язувати задачі на основі творчих видів роботи; розвивати обчислюванні навички.