Лекция 4-2009 icon

Лекция 4-2009



Смотрите также:
Вводный семинар, вводная лекция, занятия по целе-полаганию, лекция-беседа...
Лекция 20. 03. 12. Модели для исследования и оценки в pr лекция 27. 03. 12...
Лекция Фьючерсные контракты Лекция Фьючерсы на акции...
Лекция «Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления»...
Курс лекций Лекция Введение в земледелие. Лекция Научные основы земледелия...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...
Лекция №2 Тема «Учет земель. Органы, осуществляющие государственный учет»...
Лекция Введение в социологию 6 Лекция Становление и основные этапы развития социологии. 20...
Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность...
План лекционных занятий Лекция Развитие аудиальных средств информации. Лекция 2...
Курс лекций Москва 2008 Содержание Лекция Введение 4 Лекция Научные знания в средневековой Руси...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...



скачать
Лекция 4-2009

Атомные ядра и их свойства

Атомное ядро состоит из нуклонов, частиц. Составляющих основную массу атома. Основные свойства атомных ядер - заряд и масса. Заряд опреде­ляется числом входящих в состав ядра протонов Z- положительно заряженных нуклонов (2), масса – А суммой масс протонов и нейтронов, частиц, не имеющих электрического заряда. Однако, точное определение масс атомных ядер с помощью спектров масс (Ф. Астон) позволило установить, что у ядерных видов (изотопов) имеются отклонения значений истинных масс от целых чисел или от суммы масс нуклонов, слагающих ядро. У ядер атомов наблюдается некоторый недостаток массы по отноше­нию к массе суммы нуклонов. Этот недостаток, или дефект массы (дт), связан с энергией, вычисляемой по известной формуле А. Эйнштейна:

Е=дтс2,

где Е - энергия, дт - дефект массы, с - скорость света.

Чтобы разложить ядро на составные нуклоны, необходимо затра­тить энергию, эквивалентную дефекту массы. И, наоборот, при обра­зовании ядра из нуклонов выделяется энергия, эквивалентная дефек­ту массы. Вполне очевидно, что дефект массы является мерой энергии связи атомного ядра и служит критерием его устойчивости. Энергия связи ядра может быть вычислена по формуле

Е = {[Zmp + - Z) тn] - т1 с2,

где тр - масса протона, тп - масса нейтрона, т1 - фактическая масса ядра.

За единицу массы в ядерной физике принимают массу, равную 1/16 массы изотопа кислорода 16О. Одной физической единице массы соответствует энергия, равная 931 млн. электронвольт. Электрон­вольт - единица энергии, которую приобретает частица с зарядом электрона при прохождении разности потенциалов в один вольт. При расчетах ядерных превращений пользуются единицей в 106 раз большей - миллион электронвольт (МэВ). 1 МэВ равен 1,602 . 10-13 Дж.

При образовании одного ядра гелия из нуклонов освобождается энергия, равная 28,26 МэВ. При образовании одного моля гелия (4 г) выделяется энергия, равная 2730 . 109 Дж.

Дефекты массы, характеризующие прочность постройки атомного ядра, могут быть выражены в любых единицах энергии, но чаще всего они выражаются в МэВ и в единицах массы. Зная дефект массы ядра, можно определить энергию связи Е/А. Она испытывает сначала периодические колебания, затем дости­гает определенного максимума и становится на большом интервале сравнительно постоянной и равной 8,6 МэВ на один нуклон. У тяжел­ых ядер значение Е/А постепенно падает и достигает 7,5 МЭВ у 238U. Максимальная энергия связи приходится на изотопы элементов V, Сг, Мп, Fe, Со, Ni.

Существует представление о радиусе ядра, как о расстоянии от его центра до того места, где начинают действовать ядерные силы притяжения нуклонов. Значения ядерных радиусов показывают, что они растут приблизительно пропорционально кубическому корню из массового числа:

Зна­чения радиусов ядер находятся в пределах от 2 . 10-13 для гелия и до 9 . 10-13 см для урана. Из этого следует, что плотность всех атомных ядер приблизительно одинакова и равна n.1011 г/см3. Эта величина дает представление о концентрации вещества в ядрах. Однако плот­ность в атомных ядрах распределена неравномерно, увеличиваясь от периферии к центру.

Из других ядерных свойств можно еще отметить ядерные моменты: механический, магнитный и квадрупольный. Механический момент обусловлен вращением ядра вокруг некоторой оси и имеет квантовый характер. Магнитный момент связан с магнитностью ядра, а квадру­польный характеризует величину его сжатия.

Для истолкования ядерных свойств и ядерных превращений в настоящее время предложены модели капельной и оболочечной струк­туры ядра. Капельная модель была предложена и разработана независимо друг от друга Я. И. Френкелем и Н. Бором (1939-1940). По этой модели ядра принимаются за капли своеобразной сверхплотной «ядерной жидкости». По аналогии с каплей обычной жидкости в ядрах существуют силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать им сферическую форму, соответствующую наименьшей по­верхности. Ядерные протоны испытывают взаимное кулоновское от­талкивание и стремятся расширить сферическое ядро. С увеличением Z отталкивание быстро возрастает, но смягчается присутствием ней­тронов, играющих в ядерной системе роль своеобразного «цементирую­щего» вещества. Капельно-жидкая модель относительно удовлетвори­тельно объяснила устойчивость легких ядер с Z = N и тяжелых до N / Z = 1,6. Но наиболее удачно капельная модель объясняет про­цессы деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель представляет ядро как систему, сложенную из нуклонных оболочек, которые по аналогии с электронными оболоч­ками атома могут быть заполненными и незаполненными. Идея об оболочечном строении ядра была выдвинута в СССР С. А. Щукаревыми и. П. Селиновым и получила развитие в работах Марии Гепперт Майер. Ядра с заполненными оболочками обладают устойчивой струк­турой и это проявляется в некоторых их свойствах. Числа нейтронов или протонов, отвечающие заполненным ядерным оболочкам, получили название магических чисел. Сейчас принимаются следующие магиче­ские числа: 2; 8; 20; (28); (40); 50; 80; 126. Числа, отмеченные в скоб­ках, не являются достаточно определенными, остальные соответствуют заполненным оболочкам. У ядер с магическим числом наблюдается обычно повышенная прочность связи (дефект масс) по сравнению с соседними ядрами. Наиболее ярким примером может служить кислород 160. Этот изо­топ является дважды магическим (Z = 8 и N = 8). Данные по распро­странению изотопов, свидетельствуют о том, что изотопы с магическим значением нуклонов отличаются повышен­ной относительной распространенностью. Вероятность захвата нейтронов ядрами с магическим числом нейтронов оказывается особенно малой. Поэтому если в процессе образования элементов принимали участие нейтроны за счет ядер, легко реагирующих с нейтронами, то должны были формироваться ядра с магическим числом нейтронов, как более «выносливые» в обстановке ядерных реакций нейтронного захвата. Изотопы с магическим значением нейтронов оказываются наиболее распространенными. Элементы с магическим числом

протонов обычно имеют максимальное число изотопов. Наиболее ярким примером является олово (Z = 50), число изотопов у которого достигает 10. Квадрупольные моменты ядер с магическим числом протонов или нейтронов отличаются особенно малым значением. В данном случае ядра максимально приближаются к сферической форме.

Таким образом, атомное ядро представляет собой сложную систему, состоящую из нуклонов, сочетающую в себе свойства сверхплотной ядерной жидкости» и особую оболочечную структуру.

Радиоактивность и другие типы превращений атомов связаны с изменением состава ядер. В настоящее время известно четыре типа атомного распада, которые в той или иной степени иногда генетически связаны друг с другом и протекают в термодинамических условиях Земли самопроизвольно (спонтанно). К ним относятся бета-распад, электронный захват, а-распад и спонтанное осколочное деление тяжелых ядер. Превращение атомов при бета-распаде определяется правилом сдвига: образующийся новый элемент занимает в таблице Менделеева следующую клетку вправо от родоначального радиоактивного элемента (правило сформулировано Фаянсом и Содди). При этом массовое число не изменяется.

Бета-частицы представляют собой электроны, вылетающие из ядра с большой скоростью. При бета-распаде внутри ядра происходит рождение электрона, поскольку в самом ядре электроны отсутствуют. При этом распадается один ядерный нейтрон на протон и электрон (+нейтрино).

2. При электронном захвате происходит поглощение одного орбитального электрона одним из ядерных протонов. Протон нейтрализуется и превращается в нейтрон. Электронный захват - процесс, как бы противоположный бета-распаду. Захват электрона наиболее вероятен из ближайшей к ядру К-оболочки. В этом случае захват называется К-захватом.

Для электронного захвата можно сформулировать правило: при К-захвате происходит рождение элемента, расположенного на одну клетку влево Известны изотопы с позитронной радиоактивностью: при рас­паде выделяется позитрон - ~+-частица. В этом случае изменение заряда ядра происходит аналогично изменению при электронном захвате. Позитронный распад свойствен изотопам с повышенным против нормального (стабильного) отношением протонов к нейтронами совершенно неизвестен у естественных радиоактивных изотопов земной коры

3. Альфа-распаду подвергаются тяжелые элементы двух послед­них рядов таблицы Менделеева (Z > 83). После вылета а-частицы, которая представляет собой ядро гелия, заряд ядра уменьшается на 2 и массовое число А на 4. Новый элемент займет место в периоди­ческой системе на 2 клетки левее Энергия а-распада превышает энергию бета~-распада (свыше несколь­ких МэВ). Например, у изотопа 238U энергия а-­частиц составляет 4,18 МэВ.

4. Спонтанное осколочное деление заключается в раскалывании ядра на два осколка, которые с огромной скоростью разлетаются в противоположные стороны. Масса осколков соответствует изотопам средней части периодической системы (примерно от Z=31 до Z = 64). Деление дает разнообразные продукты (изотопы), а также один-два свободных нейтрона. Одним из наиболее обильных продуктов деления является ксенон.

Первоначальные продукты деления обладают избытком нейтронов и избавляются от них путем бета-распада. Спонтанному делению подверга­ются наиболее тяжелые ядра (урана и тория). Особенно характерно спонтанное деление для изотопов трансурановых элементов; у некото­рых из них скорость деления превышает скорость а.-распада.

При разных типах радиоактивного распада часто образуются возбужденные ядра, которые затем переходят в стабильное (основное) состояние, испуская т-фотон. Гамма-лучи, состоящие из этих фотонов, представляют собой исключительно жесткие электромагнитные коле­бания.

Все типы атомного распада подчиняются одному статистическому закону, который гласит, что количество распавшихся атомов за еди­ницу времени пропорционально первоначальному числу атомов. Этот закон выражается формулой

Nt=Noe-Лt No=NteAt,

где No - первоначальное число атомов, Nt - число атомов по исте­чении времени t, л. - постоянная радиоактивность распада, е - ос­нование натуральных логарифмов (е = 2,718281...).

Постоянная, или константа распада, л. показывает, какая доля радио­активных атомов распадается за единицу времени (год, сутки, часы, минуты, секунды), то есть это скорость распада.

Для более ясного представления о ходе распада введено понятие о периоде полураспада Т, равном промежутку времени, в течение кото­рого любое количество радиоактивного вещества распадается наполо­вину. Связь между константой и периодом полураспада следующая:

T=ln2/λ= 0.693/ λ

Если первоначальное число атомов было N, то по истечении времени t останется 1/2 N, после 2 Т 1/4 N, после 3 Т 1/8 N и т. д. У естест­зенных радиоактивных изотопов периоды полураспада колеблются в иключительно широких пределах. Например, 238U распадается на­половину за 4,51 . 109 лет

Тяжелые изотопы последних рядов периодической системы группи­руются в радиоактивные ряды, которые представляют собой цепи поочередных а,- и В-превращений с окончанием распада на каком-либо из изотопов свинца (или висмута). В цепи радиоактивных превраще­ний тип изотопа в каждом из рядов не меняется. Как правило, нечетные изотопы радиоактивных рядов распадаются скорее, чем изотопы четные. Из перечисленных в таблице радиоактив­ных рядов на Земле отсутствует ряд нептуния (рис. 10). К радио­активным рядам примыкают также изотопы трансурановых элемен­тов в зависимости от своих типов.

В связи с процессами радиоактивного распада возникает вопрос об устойчивости атомных ядер. Широко распространенное в свое время представление о повсеместном распаде всех без исключения изотопов лишено основания. Так, допущение спонтанного распада для многих ядер со значительным дефектом массы и замкнутыми оболочечными структурами противоречит закону сохранения энергии.

Альфа-распад и распад путем осколочного деления - результат неустойчивости тяжелых ядер, перегруженных нуклонами. По капель­ной модели ядра в нем существуют силы притяжения и отталкивания. Силы притяжения пропорциональны А и возрастают в арифметической прогрессии по мере его увеличения. Силы отталкивания, связанные с кулоновским отталкиванием одноименно заряженных протонов, растут с увеличением Z в геометрической прогрессии. В конце перио­дической системы, примерно начиная от свинца, силы отталкивания становятся соизмеримыми с силами притяжения и вызывают а-распад и осколочное деление. Таким образом, основной причиной неустойчи­вости тяжелых ядер является возрастание сил отталкивания увеличи­вающегося числа протонов. Советский физик Я. и. Френкель допус­кал, что а-распад и деление - варианты одного процесса, определяе­мого общей причиной. Альфа-распад принципиально представляет собой тот же процесс деления, но с peзко выраженной асимметрией, и процесс более вероятный, чем осколочное деление.

  1. Осколочное деление наряду с а-распадом имеет решающее значе­ние в ограничении числа элементов таблицы Д. И. Менделеева. Раз­витие экспериментальной ядерной физики привело к открытию транс­урановых элементов в интервале атомных номеров Z-93-105. Изу­чение радиоактивных свойств изотопов этих элементов показало, что их неустойчивость довольно резко возрастает с увеличением Z и что возможность синтеза более далеких трансурановых элементов практи­чески исчерпана. Однако теоретические исследования физиков за последние годы привели к совершенно неожиданным результатам. Оказалось, что в области далеких трансурановых элементов. могут существовать ядра с замкнутыми ядерными оболочками, существенно влияющими на их устойчивость. Были вычислены возможные замкну­тые нейтронные и протонные оболочки и определено их влияние на стабильность ядер в области Z-114 и 126 и N = 184 . Согласно расче­там американского теоретика С. Нильссона, большинство изотопов элементов с Z-106-116 в области N, близких к 184, обладает неожи­данно большими периодами полураспада как спонтанным делением, так и а-распадом. Данные расчета в общем показали, что в пределах далеких трансурановых элементов существуют два островка устойчи­вости вблизи Z = 114 и Z = 126. В данном случае мы встречаемся с положением, аналогичным положению тория - Z = 90 и урана­ z = 92 в таблице Д. И. Менделеева, которые также образуют островки устойчивости далеко за висмутом - Z = 83 (изотопы элемент Z-84-89 отличаются большой неустойчивостью и имеют короткие периоды полураспада). Указанные выше обстоятельства позволили предпринять поиски далеких трансурановых элементов в природе, которые дали обнадеживающие результаты при изучении космических лучей и древнейших твердых тел Солнечной системы - метеоритов и лунного грунта.










Скачать 96,31 Kb.
оставить комментарий
Дата17.10.2011
Размер96,31 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх