16. Атом. Атомное ядро.

16.
Атом. Атомное ядро.
Ядерные реакции. Дефект масс
В 1911 г. в результате исследований, проведенных Резерфордом по рассеянию α-частиц при прохождении через
вещество, был открыт протон — ядро атома водорода, который обладает положительным электрическим зарядом, равным
модулю заряда электрона.
Английский физик Г. Мозли в 1913 г. предсказал, что заряд ядра атома q=Ze, где е - элементарный электрический
заряд; Z — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, определяет число электронов в атоме. Химические
свойства зависят только от зарядового числа. Немецкие ученые В. Боте и Г. Беккер, изучая реакции (1930), происходящие
при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей
способностью. В 1932 г. английский физик Дж. Чэдвик выдвинул гипотезу: бериллиевые лучи состоят из нейтральных
частиц, масса которых близка к массе протона. Их назвали нейтронами.
Дальнейшие исследования показали, что нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время 15 мин
распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.
Масса нейтрона mn=1838,6 электронных масс, масса протона mp= 1836,1 электронных масс, mn>mp
приблизительно на 2,5 массы электрона. После открытия нейтрона Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о
протонно-нейтронном строении ядра.
В ядре протон и нейтрон неразличимы, поэтому их называют нуклонами (ядерными частицами). Число протонов
Z, число нейтронов N, массовое число - А.
A - массовое число - это суммарное число нуклонов в ядре.
Z - заряд ядра, число протонов, число электронов, номер элемента в таблице Менделеева.
N - число нейтронов
A=Z+N, Zp=Ze
-27
1 а.е.м. = 1,66058·10 кг
Обозначение химических элементов (ядер) в атомной и ядерной физике , где X - символ химического элемента.
- протон;
- нейтрон;
- электрон;
-частица;
ТИПЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА (ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ)
Альфа-распад
Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием α-частиц, называется альфа-распадом.
Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра является образование двух протонов и двух нейтронов.
Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия
связи, то оно покинет ядро в виде α-частицы.
Если
— материнское ядро, то превращение этого ядра при α-распаде происходит по следующей схеме
(правило смещения):
где
—символ дочернего ядра;
—ядро атома гелия
;
hν - квант энергии, испускаемой ядром.
При альфа-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.
Бета-распад
Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые
рождаются согласно гипотезе Ферми в результате превращения нейтронов в
протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не
изменяется:
При β- распаде химический элемент перемещается на одну клетку
вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается
антинейтрино,
Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет
собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.
Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют α-лучи, в
меньшей степени — β-лучи и совсем плохо — γ-лучи. Поэтому проникающая
способность оказалась самая малая у α -лучей (лист бумаги; несколько
сантиметров слоя воздуха), а β -лучи проходят сквозь алюминиевую пластину
толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность
у γ -лучей (например, для алюминия - пластины толщиной десятки
сантиметров).
ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА.
Опытным путем было установлено, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для
каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза,
т.е. период полураспада Т данного вещества. Например, для ядра
период T=1600 лет. Следовательно, если взять 1г
Ra, через 1600 лет его будет 1/2 г, а через 3200 лет— 1/4 г. Таким образом, исходное количество радия должно обратится в
нуль спустя бесконечный промежуток времени.
Пусть число радиоактивных атомов N0, время t=0.
Через t1=T число нераспавшихся ядер N=N0/2
Через t2=2T останется N=N0/22,
Через t3=3T таких ядер окажется N=N0/23— и т. д.
Следовательно, в конце промежутка времени t= nT нераспавшихся ядер останется N=N0/2n . Так как n=t/T, то
Это закон, которому подчиняется распад большого количества радиоактивных ядер (т.е. закон носит
статистический характер).
У радиоактивных элементов Т имеет различную величину, например,
имеет период полураспада
Т=1,4·1010лет, а у криптона
период полураспада Т=1,4с. У искусственно созданных элементов с Z > 100 период
полураспада составляет сотые и тысячные доли секунды.
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Сильное или
ядерное взаимодействие во много раз больше кулоновских сил. Первые попытки объяснить принадлежат И.Е. Тамму.
Теория создана Х. Юкава (1936). Свойства ядерных сил:
1. На расстояниях порядка 10-13см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении
расстояния – отталкиванию.
2. Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости). Одинаковая сила
действует и на протон и на нейтрон.
3. Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения).
4. Короткодействующие: быстро убывают, начиная с r ≈ 2,2·10-15м.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА
Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.
Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из
отдельных частиц. Энергия связи очень велика. При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при
сжигании двух вагонов каменного угля.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время
физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью.
Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и
нейтронов. Разность масс
называется дефектом массы.
По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc2 можно определить энергию, выделившуюся при
образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв:
Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
В атомной физике массу удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м.=1,67·10-27 кг. Коэффициент связи
энергии и массы (равный с2): с2= 931,5 МэВ/а.е.м.
6
1МэВ=10 эВ
1эВ=1,6·10-19Дж
Энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, т. е. энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить
из ядра один нуклон называется удельной энергией связи:
где А — массовое число.
Для сравнения:
при плавлении льда необходимо затратить в расчете на 1 молекулу 0,06 эВ (удельная энергия связи);
при парообразовании воды на 1 молекулу: 0,4 эВ;
для разрыва молекулы водорода на атомы: 4,5 эВ;
для ионизации атома водорода: 13,6 эВ;
для отделения нейтрона от ядра дейтерия: 1,1 МэВ.
У ядер средней части периодической системы Менделеева с массовым числом 40<А<100 удельная энергия
максимальна. Наиболее устойчивы от ядра с массовыми числами 50 до 60.
У ядер, для которых А>100, удельная энергия связи плавно убывает.
3. У ядер, для которых А<40, удельная энергия скачкообразно убывает.
Максимальной удельной энергией обладают ядра, у которых число протонов и нейтронов четное (
), а
минимальной — ядра, у которых число протонов и нейтронов нечетное (
).
Таким образом, энергетически выгодны два способа высвобождения внутренней энергии: деление тяжелых ядер
(цепная ядерная реакция) и синтез легких ядер (термоядерная реакция).
График зависимости удельной энергии связи от массового числа:
Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или
друг с другом.
Символическая запись: А + а В + b. При написании ядерных реакций используются законы сохранения заряда
и массового числа (числа нуклонов).
Примеры:
Энергетический выход ядерной реакции - разность между суммарной энергией связи частиц, участвующих в
реакции и продуктов реакции.
Реакции, происходящие с выделением энергии, называются экзотермическими, с поглощением эндотермическими.