страница 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие работы
|
Л3-15 Атомная физика. Ядерные силы - страница №1/1
![]() Л3-15 Атомная физика. Ядерные силы. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий – сильного (ядерного). Эти силы по интенсивности превосходят электромагнитные в 100 раз. Ядерные силы характеризуются следующими свойствами: 1) Ядерные взаимодействия самые сильные в природе. Например, энергия связи дейтрона 2,23 МэВ, а энергия связи атома водорода 13,6 эВ. 2) Радиус действия ядерных сил конечен 1015 м. 3) Ядерные силы не имеют центральной симметрии. Эта особенность ядерных сил проявляется в их зависимости от взаимной ориентации спинов нуклонов. Взаимодействие между нуклонами имеет обменный характер. В опытах по рассеянию нейтронов на протонах регистрируются случаи “отрыва” от протонов их электрических зарядов и присоединения зарядов к нейтронам, в результате нейтрон превращается в протон. 4) Ядерные силы обладают изотопической инвариантностью, которая проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов в системах n-n, n-p, p-p при одном и том же состоянии относительного движения частиц в этих парах. 5) На расстояниях 1015 м ядерные силы являются силами притяжения. На много меньших расстояниях они становятся силами отталкивания, что было обнаружено в опытах по рассеянию протонов на протонах при высоких энергиях выше 400 МэВ. 6) Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в независимости удельной энергии связи атомных ядер от их массового числа А. 7) Ядерные силы зависят от скорости относительного движения нуклонов. Например, при столкновениях нуклонов при увеличении энергии от 500 МэВ до 1 ГэВ сечение рассеяния нейтрона на протоне уменьшается на порядок. Таким образом, характер ядерных сил свидетельствует о сложной структуре нуклонов.
Масса ядра не равна сумме масс, образующих ядро нуклонов. Разницу между ними называют дефектом масс ![]() Дефект масс обусловлен сильным взаимодействием нуклонов в ядре, при образовании ядра из свободных нуклонов энергия выделяется и возникает дефект масс. Взаимодействие нуклонов в ядре характеризуется удельной энергией связи ![]() где А – массовое число. Удельная энергия связи ядер ![]() Ядра называют магическими, если у них число протонов или нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Последнее число допустимо только для нейтрона. Происхождение и величина магических чисел находит объяснение в оболочечной модели ядра. Если у ядра одновременно магическими являются как число протонов, так и нейтронов, то такое ядро называют дважды магическим, например, такими являются ядра На рис. представлена кривая зависимости удельной энергии связи ядра от массового числа А для наиболее стабильных изобаров с четными значениями А (кривая Вейцзеккера). Атомы с одинаковым А, но различным Z (число протонов) называют изобарами. Атомы с одинаковыми Z, но различными N (число нейтронов) называют изотопами. Атомы с одинаковыми N, но различными Z называют изотонами. Удельная энергия связи мало меняется при переходе от ядра к ядру и равна 8 МэВ. Удельная энергия связи имеет максимум при А56 (железо). Этот максимум составляет 8,8 МэВ. Замедление роста удельной энергии связи с последующим ее снижением для малых А связано с поверхностной энергией, а затем (с ростом А) с кулоновским отталкиванием. Из графика видно, что для легких ядер энергетически выгоден процесс слияния их с выделением ядерной энергии синтеза. Напротив, для тяжелых ядер энергетически выгоден процесс деления, сопровождающийся также выделением ядерной энергии. На этих процессах основана вся ядерная энергетика. Реакции деления ядер. Превращение ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом называют ядерными реакциями. Ядерные реакции являются основным методом изучения структуры ядер и их свойств. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения: электрического заряда, барионного заряда, лептонного заряда, энергии, импульса и др. Например, закон сохранения барионного заряда сводится тому, что суммарное число нуклонов не меняется в результате ядерной реакции. Недавно установлено, что существование современной Вселенной (Метагалактики) связано с барионной асимметрией во Вселенной по отношению к барионам и антибарионам. Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии Q, которая в 106 раз превышает энергию химических реакций. Если Q 0 происходит выделение энергии (экзотермическая реакция). Например,
Ядерные реакции характеризуются эффективным сечением реакции Выход ядерной реакции W – отношение числа актов ядерной реакции N к числу частиц N, упавших на 1 см2 мишени, т.е. ![]() где n – концентрация ядер. Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования составного ядра. Так, чтобы нейтрон пролетел сквозь ядро со скоростью 107 м/с требуется время порядка 10–22 с. Время реакции составляет 1016–1012 с или (106–1010). Это означает, что между нуклонами в ядре произойдет большое число столкновений и образуется промежуточное состояние – составное ядро. Характерное время используется при анализе процессов, происходящих в ядре. При уменьшении скорости нейтрона увеличивается время взаимодействия его с ядром и вероятность его захвата ядром, так как эффективное сечение обратно пропорционально скорости частицы ( После захвата частицы, составное ядро находится в возбужденном состоянии в течение 1014 с, затем испускает какую-либо частицу. Возможно несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. Возможен также и конкурирующий процесс – радиационного захвата, когда после захвата ядром частицы оно переходит в возбужденное состояние, затем, испустив -квант, переходит в основное состояние. При этом также может образоваться составное ядро. Силы кулоновского отталкивания между положительно заряженными частицами ядра (протонами) не способствуют, а препятствуют выходу этих частиц из ядра. Это связано с влиянием центробежного барьера. Объясняется это тем, что силам отталкивания соответствует положительная энергия. Она увеличивает высоту и ширину кулоновского потенциального барьера. Выход положительно заряженной частицы из ядра есть подбарьерный процесс. Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно это существенно для средних и тяжелых ядер. Например, ядро изотопа урана Из всех выделяющихся при делении ядер освобождается мгновенно 99% нейтронов, а на долю запаздывающих нейтронов приходится 0,75%. Несмотря на это, запаздывающие нейтроны используют в ядерной энергетике, так как они позволяют сделать управляемыми ядерные реакции. Согласно капельной модели ядра ядерную реакцию можно представить схематически в виде (рис.). Наиболее вероятно деление урана Разность между максимальным значением потенциальной энергии Eр(r) и ее значением при Исследования показали, что ядра изотопа Возможно и спонтанное деление радиоактивных ядер при отсутствии внешнего возбуждения, которое наблюдалось в 1940 г. В этом случае деление ядра может произойти путем просачивания продуктов деления через потенциальный барьер в результате туннельного эффекта. Другой характерной особенностью ядерных реакций, протекающих через составное ядро, при определенных условиях, является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра. Возможны и прямые ядерные реакции, например, ![]() которая используется для получения нейтронов. При делении тяжелых ядер освобождается энергия, равная в среднем 200 МэВ на каждое делящееся ядро, которую называют ядерной или атомной энергией. Получение такой энергии производится в ядерных реакторах. Естественный уран содержит 99,3% изотопа Важной величиной, характеризующей делящееся ядро, является среднее число вторичных нейтронов, которое для осуществления цепной ядерной реакции деления атомных ядер должно быть не менее 1. В таких реакциях атомных ядер воспроизводятся нейтроны. Цепная реакция практически осуществляется на обогащенном уране в ядерных реакторах. В обогащенном уране содержание изотопа урана Существуют различные виды ядерных реакторов в зависимости от назначения и мощности. Например, экспериментальные, реакторы для получения новых трансурановых элементов и др. В настоящее время в ядерной энергетике используют реакторы-размножители (бридерные реакторы), в которых происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося вещества. В них применяют обогащенный уран с достаточно высоким содержанием (до 30%) изотопа урана Такие реакторы – размножители используют для выработки энергии на атомных электростанциях. Основным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов. Однако по сравнению с электростанциями на угольном топливе атомные электростанции более экологически чистые. Термоядерный синтез. Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких ядер, протекающие при высоких температурах (108 К и выше). Высокие температуры, т.е. большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления кулоновского отталкивания. Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. В природных условиях термоядерные реакции протекают в недрах звезд. Для осуществления термоядерной реакции в земных условиях необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо импульсом лазерного излучения большой мощности и др. В настоящее время удалось осуществить слияние двух дейтронов ![]() или ![]() и синтез тритона и дейтрона ![]() Термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены пока в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб. Использование термоядерных реакций в мирных целях пока не удалось осуществить, хотя идут интенсивные работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС), с которым связаны надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий содержащийся в морской воде, представляет собой практически неисчерпаемый источник горючего для УТС. Экологически чистыми являются термоядерные реакции с участием изотопа гелия ![]() или ![]() Однако на Земле изотопа гелия ![]() Термоядерные реакции осуществляют в термоядерных реакторах – системах закрытого типа, например, токамак, стелларатор, в которых удержание высокотемпературной плазмы осуществляют магнитным полем (магнитные ловушки) или с использованием импульсного лазера, которые были начаты в 1964 г или мюонный катализ (холодный термоядерный синтез) и др. Рассмотрим УТС за счет нагрева термоядерной мишени мощными лазерными импульсами. В отличие от систем с магнитным удержанием неплотной высокотемпературной плазмы в этой системе сжатие плазмы до сверхвысоких плотностей, чтобы реакция синтеза легких ядер успела произойти за очень короткое время (микроядерные взрывы), производится лазерными импульсами. Термоядерная мишень – полый стеклянный или металлический шарик диаметром 0,1-1 мм с толщиной стенок 106 м, наполненный газовой смесью дейтерия и трития под давлением нескольких атмосфер. На эту мишень фокусируют одновременно несколько лазерных импульсов, длительностью 109 с и суммарной энергией 104-105 Дж (рис. 9.5, а). Под действием лазерных импульсов высокой интенсивности ( Согласно закону сохранения импульса, внутренние слои мишени стремительно движутся к центру, сжимаясь, уплотняясь и нагреваясь до температуры, необходимой для термоядерного синтеза дейтерия с тритием (рис. 9.5, б). В результате термоядерной реакции удалось получить поток нейтронов до 106 на один микровзрыв.
К радиоактивным превращения относятся: -распад, -распад (с испусканием электрона -распад, с испусканием позитрона +-распад) и К-захват – захват ядром орбитального электрона), спонтанное деление атомных ядер, протонный и двухпротонный распады и др. В случае -распада большое время жизни ядер обусловлено природой слабого взаимодействия, ответственного за этот распад. Остальные виды радиоактивных процессов вызваны сильным взаимодействием. Замедление таких процессов связывают с наличием потенциальных барьеров, затрудняющих вылет частиц из ядра. Радиоактивность часто сопровождается -излучением, возникающим в результате переходов между различными квантовыми состояниями одного и того же ядра. Существует четыре природных радиоактивных ряда (семейств): Если взять большое число N радиоактивных ядер, то за единицу времени из них распадается в среднем N ядер. Это произведение характеризует интенсивность излучения радиоактивного вещества, содержащего N радиоактивных ядер, и называют активностью, т.е. Пусть в момент времени t число радиоактивных ядер N. По определению активности и с учетом убыли ядер при распаде, имеем
Найдем период полураспада ![]() Следовательно, ![]() Согласно (4) и (5) количество ядер, распавшихся за промежуток времени от t до tdt, равно ![]() или ![]() Поэтому время жизни ядра ![]() После интегрирования ![]() Используя (5) и (6), имеем ![]() Статистический закон радиоактивного распада при наличии большого числа радиоактивных атомов практически абсолютно точный закон. На его принципе работают “атомные часы”, служащие, например, в геологии и археологии, для измерения возраста горных пород и предметов деятельности древнего человека. “Атомными часами”, например, для определения возраста Земли могут служить долгоживущие ядра -распад. Испускание радиоактивным ядром -частицы (ядро изотопа гелия При -распаде массовое число А радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд Z – на две (правило Содди и Фаянса).
Энергетическое условие возможности -распада заключается в том, чтобы энергия связи (–Q) -частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Время жизни -радиоактивных ядер лежит в пределах от 3107 с (например, Спектр излучения -частиц – линейчатый, представляет собой моноэнергетические линии, соответствующие переходам на различные энергетические уровни дочернего ядра. Вероятность -распада и ее зависимость от энергии -частицы и заряда ядра, определяется кулоновским барьером. Теория -распада предложена Гамовым (1927 г), в которой рассматривается движение -частицы в потенциальном ящике с барьером (рис. 9.7, пунктирная линия). Так как, энергия -частиц составляет 4,76-10 МэВ, а высота кулоновского барьера 25-30 МэВ, то вылет -частиц из ядра может происходить только за счет туннельного эффекта. Вероятность этого процесса определяется проницаемостью барьера. Если потенциальная энергия барьера больше полной энергии E вылета -частицы (Ep E), то говорят о подбарьерном прохождении. Если потенциальная энергия барьера меньше полной энергии вылета -частицы (Ep < E), то говорят о надбарьерном прохождении. Следовательно, -распад – подбарьерное прохождении -частицы. Внутри барьера деление полной энергии на кинетическую и потенциальную лишено смысла. Далеко за пределами ядра движение -частицы классическое, а вся ее энергия – кинетическая. Если -частиц вылетает из ядра, имея орбитальный момент импульса ( Современный подход к описанию -распада опирается на методы, используемые в квантовой теории ядерных реакций. Анализ экспериментальных данных показывает, что -частицы не существуют в ядре все время, а с некоторой вероятностью образуются на его поверхности перед вылетом. Корпускулярные свойства -частиц проявляются вне ядра. Внутри ядра они проявляют волновые свойства, совершая колебания с 41020 с1 (1014 м, v106 м/с). Внутри ядра, наталкиваясь на стенки потенциального барьера волны -частиц испытывают “полное внутреннее отражение”, но иногда проникают сквозь барьер. Чем больше энергия -частицы в ядре, тем больше вероятность, что она покинет ядро. Период полураспада ядер определяется в основном энергией -частиц. Чем больше эта энергия, тем меньше ширина потенциального барьера, который ей необходимо преодолеть, тем больше вероятность просочиться сквозь него и тем меньше период полураспада. Например, для Время и место распада радиоактивных ядер являются случайными. Ядро – микрообъект, подчиняющийся законам квантовой механики, в которой действуют вероятностные законы. Момент распада предсказать невозможно.
-распад не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. Спектр излучения –сплошной. -распад совершается за счет слабого взаимодействия. Энергия, выделяющаяся в процессе -распада, лежит в пределах от 0,019 МэВ до 16,6 МэВ. Период полураспада ядер при -распаде меняется от 102 с до 41012 лет. Прямым доказательством не сохранения четности у ядер при -распаде является то, что электрон вылетает из ядер преимущественно в направлении, противоположном направлению спина ядра Это связано с отсутствием зеркальной симметрии нейтрино – спин и импульс антинейтрино параллельны друг другу. Средняя длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в воде 1023 м, что намного превышает размеры звезд (1015 м). Нейтрино и антинейтрино не участвуют в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Нейтрино не имеет электрического заряда и массы. Однако предполагается, что нейтрино имеет массу -излучение. Гамма-лучами называют электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденного состояния в более низкие энергетические состояния. В этом процессе число протонов и нейтронов в ядре не изменяется. Спектр -излучения дискретный, что связано с квантование энергетических уровней в ядре. Энергия -квантов, испускаемых атомными ядрами, изменяется от 10 кэВ до 5 МэВ. Длина волны -квантов 1011 1013 м. Процесс излучения -кванта нуклоном в ядре сопровождается обменом импульсом последнего не только с рассматриваемым нуклоном, но и с остальными нуклонами ядра. Следовательно, испускание -квантов процесс внутриядерный, а не внутринуклонный. Возможны и каскадные испускания возбужденным ядром нескольких -квантов. Возбужденные ядра, способные к излучению, могут возникать также в результате предшествующих - и -распадов. Однако возбужденное ядро может перейти в основное состояние не только путем испускания -квантов, но и путем непосредственной передачи энергии возбуждения одному из электронов атомных оболочек. Такой процесс называют внутренней конверсией. Электроны внутренней конверсии моноэнергетичны, что и позволяет отличить их от электронов, испускаемых при -распаде ядер, спектр излучения которых непрерывен. Внутренняя конверсия сопровождается рентгеновским излучением, которое возникает в результате переходов электрона с вышележащих атомных слоев и оболочек на место, освобожденное электроном внутренней конверсии. Вероятность испускания возбужденным ядром - кванта в сильной степени зависит от направления спинов начального и конечного состояний ядра. |
ещё >> |