Многоэлектронные атомы. (Состав и характеристика атомного ядра

(Состав и характеристика атомного ядра. Энергия связи. Удельная энергия связи. Ядерные силы. Естественное и искусственное радиоактивное излучение. Законы радиоактивного распада. Период полураспада. Правила смещения. Закономерности a и распада, излучение и его свойства. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц. Ядерные реакции и их основные типы. Реакция деления ядра. Цепная реакция деления. Реакция синтеза. Энергия солнца и звезд. Искусственная радиоактивность.)

Радиоактивность

Явление радиоактивности в 1896 году обнаружил А.Беккерель. Суть ее заключалась в том, что соли урана люминесцировали без предварительного облучения светом. Причем люминесценция урана обладала удивительным свойством: лучи, излучаемые ураном, были невидимы для глаз, но действуют на фотопластинку; лучи проникают даже сквозь плотную бумагу.

Дальнейшее изучение этого явления связано с именами Пьера и Мари Склодовская-Кюри. Они установили, что кроме самого урана излучают еще радий и полоний. Резерфорд установил, что излучение состоит из трех компонент.

1). -лучи.

-лучи состоят из корпускул, интенсивность их излучения частиц в секунду. Заряд -частиц положителен и равен двум элементарным зарядам электрона . Масса -частиц оказалась равной массе иона , т.е. равна массе ядра атома гелия. Тождественность -частиц и гелия доказана прямыми опытами.

-частицы обладают большой энергией. Двигаясь в веществе, они ионизируют атомы и теряют свою энергию. Поэтому, пройдя определенный путь ‑ называемый пробегом ‑ -частицы останавливаются. Выражение для энергии -частиц можно представить как

где ‑ энергия ионизации одного атома, ‑ число ионизированных атомов. Экспериментальные измерения дают для . Такая же цифра получается и при калориметрических измерениях. Так, Кюри установил, что радия выделяет в час теплоты. Отсюда

Кроме того, было показано, что энергия -частиц представляет собой своеобразный спектр, но об этом мы подробнее остановимся дальше.

2). - лучи.

Измерения показали, что - лучи являются электронами больших энергий:

Спектр -частиц не линейчаты, а сплошной:

Средняя энергия - частиц равна примерно одной четверти от максимальной:

Величина максимальной энергии -частиц является характерной константой для данного вещества. Т.к. скорость -частиц очень велика, то все расчеты с -частицами необходимо производить по точным формулам теории относительности.

Вследствие малой массы -частицы при прохождении через вещество могут сильно рассеиваться. И траектория отдельной частицы имеет очень извилистый характер.

Кроме того, опять же вследствие малой массы, -частицы производят меньше ионизации на своем пути и глубже проникают в вещество.

3). -лучи.

Огромная проникающая способность, отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях указывают на их аналогию с рентгеновскими лучами. Удалось наблюдать дифракцию -лучей и определить их длину волны. Оказалось, что длина волны -лучей составляет:

Т.е. в десятки раз меньше, чем у рентгеновских лучей. Энергия -лучей составляет величину, порядка:

Методы регистрации радиоактивного излучения

Для регистрации и наблюдения различных радиоактивных частиц служат различные приборы и установки.

1. Сцинтилляционные счетчики.

Сцинтилляционные счетчики представляют собой систему, состоящую из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), электрического усилителя импульсов и регистрирующего (пересчетного) механизма ‑ электромеханического счетчика (см. рис. 3.21). Фотоэлектронный умножитель представляет собой прибор, преобразующий слабые световые сигналы в электрические. Передний торец ФЭУ представляет собой прозрачную поверхность, на внутренней стороне которой нанесен слой сцинтиллятора дающего вспышку света при попадании ионизирующей частицы. Далее расположен слой вещества, обладающего свойством фотоэффекта. Под действием вспышки света с поверхности этого вещества вырывается электрон. Затем расположена система вторичных электродов ‑ динодов. Напряжение каждого динода на 50 – 100 В выше, чем у предыдущего. Кроме того, каждый динод обладает свойством вторичной электронной эмиссии ‑ под действием падающего электрона вышибается еще несколько электронов. Таким образом, в районе последнего динода (их всего 15 -20) образуется достаточно большое число электронов, т.е. значительный электрический ток. Чувствительность фотоумножителя такова, что он может регистрировать отдельный фотоэлектрон.

Электрический импульс, возникающий в ФЭУ при попадании отдельной ионизирующей частицы, усиливается далее усилителем, а затем регистрируется с помощью электромеханического счетчика.

Таким образом, с помощью этого устройства мы можем считать число импульсов (частиц) за какой угодно интервал времени.

2. Счетчик Гейгера-Мюллера.

Счетчик Гейгера представляет собой тонкостенную металлическую трубку, по оси которой натянута проводящая нить (см. рис. 3.22). Между стенкой трубки и центральной нитью приложено напряжение порядка тысячи вольт. В трубке находится газ под пониженным давлением (100 ‑ 200 мм рт ст). Ионизирующая частица проникает через поверхность трубки и вызывает ионизацию газа. Электроны под действием поля движутся к центральной нити. Поскольку нить малого диаметра, напряженность электрического поля у ее поверхности очень велика, поэтому у ее поверхности возникает коронный разряд, быстро распространяющийся по всей длине нити. В результате возникает импульс тока, который регистрируется соответствующим устройством.

Для счета -квантов трубку делают стеклянной, а внутреннюю поверхность покрывают тонким слоем металла.

Для счета -частиц трубку делают толстостенной, а торец покрывают тончайшей фольгой.

3. Камера Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с поршнем (см. рис. 3.23). При резком опускании поршня происходит адиабатическое расширение и охлаждение газа. Пары жидкости переходят в пересыщенное состояние и легко конденсируются на ионах. Таким образом, если в этот момент через камеру пролетает частица, на ее пути образуются ионы, на которых конденсируются пары жидкости. По характеру следа можно определить тип частицы.

Следы хорошо видны. Они легко фотографируются и снимаются на кинопленку.

Можно усовершенствовать камеру Вильсона, комбинируя ее со счетчиком Гейгера или помещая в магнитное поле.

4. Толстослойные фотоэмульсии. Пробег частицы в фотоэмульсии не превышает нескольких десятых миллиметра, вследствие большой плотности фотоэмульсии. Поэтому, если фотопластинку сделать толстой, то в ней уложится весь трек частицы.

Для частиц очень больших энергий применяют стопки фотопластинок.

Правила радиоактивного смещения

Мы видели, что энергия радиоактивных излучений имеет величину порядка . В то время как энергия связи электрона с ядром, при этом максимальная энергия, не превышает .

Т.е. радиоактивное излучение обязано своим происхождением процессам, происходящим внутри ядра.

Эти ядерные превращения подчиняются определенным закономерностям.

Пусть заряд распадающегося ядра , атомный номер . Тогда распадающееся ядро будет иметь символ ‑ . Например -частица будет обозначаться как , -частица (электрон) ‑ . Поскольку масса электрона в раз меньше массы протона, то массу электрона формально считают равной нулю.

С использованием этих обозначений, схема -распада будет иметь вид:

(3.19)

Соответственно -распад:

(3.20)

Как видно из этой схемы, при -распаде дочернее ядро (материнское ядро обозначается символом , а дочернее ядро обозначаемое символом ) уменьшает свой порядковый номер на , т.е. смещается по таблице Менделеева влево на две клетки. В то же время при -распаде дочернее ядро смещается по таблице Менделеева вправо на одну клетку. Поэтому эти схемы радиоактивного распада называются правилами смещения.

Необходимо отметить, что эти правила смещения при радиоактивном распаде являются следствием закона сохранения массы и закона сохранения заряда.

Изотопы, изобары, изотоны, изомеры

Выделяющаяся при -распаде энергия порядка уносится с -частицей. Но иногда часть ее может остаться в дочернем ядре. При этом ядро оказывается возбужденным. Однако в возбужденном состоянии ядро живет недолго. По истечении промежутка времени оно переходит в основное состояние с испусканием -фотона. Для сравнения, время жизни атома в возбужденном состоянии значительно больше .

В состав ядра входят протоны ‑ и нейтроны - . В зависимости от комбинации этих частиц, в зависимости от того, что сохраняется постоянным, ядра делятся на изотопы, изобары, изотоны, изомеры.

Мы уже говорили, что ядро обозначается символом . Здесь ‑ массовое число, число, характеризующее массу ядра. ‑ порядковый номер ядра, число протонов в ядре. ‑ число нейтронов в ядре.

1. Если у ядер одинаково число протонов , то такие ядра называются изотопами.

2. Если у ядер одинаково массовое число , то такие ядра называются изобарами.

3. Если у ядер одинаково число нейтронов , то такие ядра называются изотонами.

4. Если у ядер одинаков период полураспада , то такие ядра называются изомерами.

Закон радиоактивного распада, активность

Естественный радиоактивный распад протекает самопроизвольно, без всякого воздействия извне. Отдельный распад подчиняется статистическим закономерностям ‑ вероятностным. Но достаточно большая совокупность атомов подчиняется вполне определенным закономерностям, вполне точным законам. Найдем закон радиоактивного распада.

Пусть число нераспавшихся к моменту времени ядер равно . Убыль ядер за время пропорциональна числу этих еще нераспавшихся ядер и величине промежутка времени ‑ . Чтобы записать знак равенства, необходимо ввести коэффициент пропорциональности, уравнивающий размерности. Обозначим его как и назовем постоянной распада. Тогда убыль ядер будет определяться следующим выражение:

Проинтегрировав это уравнение получим:

(3.21)

Полученное уравнение называется законом радиоактивного распада.

Число распадов в единицу времени называется активностью радиоактивного препарата и обозначается символом :

(3.22)

Единицу активности называют и эта единица численно равна:

Время, в течение которого распадается половина ядер, называется временем полураспада ‑ . Найдем связь между постоянной распада и временем полураспада и . По определению периода полураспада можно записать:

Прологарифмируем это выражение:

Тогда уравнение радиоактивного распада можно переписать в виде:

(3.23)

Период полураспада меняется в широких пределах от миллионных долей секунды до нескольких миллиардов лет.

Кроме обычной радиоактивности с испусканием , , -лучей, существует радиоактивность, когда ядра тяжелого элемента делятся примерно на две равные половины, причем произвольно, спонтанно. Это явление было впервые открыто в 1940 году советскими учеными Г.Н Флеровым и К.А.Петржаком. Существует также протонная радиоактивность, когда ядро испускает протон или два протона. Это явление было открыто в 1963 году также советским физиком Г.Н.Флеровым.

Дата добавления: 2014-01-04