Раздел 4. Ядерная физика и физика элементарных частиц
4.1. Радиоактивность. Состав атомных ядер.
Согласно современным представлениям атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые объединяются общим названием нуклоны.
1.Протон
(от греч. Protos),
термин был введен Резерфордом, обозначается
.
Он является стабильной частицей с
временем жизни
лет
кг
Однако чаще всего масса элементарных частиц измеряется в МэВ
.
Таким
образом, масса протона значительно
больше массы электрона
(
).
Протон
имеет собственный механический момент
.
2. Нейтрон (от латинского Neuter – ни тот, ни другой)/
-
нейтральная частица. Был предсказан
теоретически, а затем обнаружен
экспериментально в 1932 году английским
физиком Чедвиком.
(в
энергетических единицах)
.
3. Основные характеристики ядра
Заряд ядра определяется количеством протонов и характеризуется зарядовым числом Z (порядковый номер элемента в таблице Менделеева)
Число нуклонов в ядре численно равно массовому числу А.
Массовым числом называется ближайшее к массе атома целое число и выражается в а.е.м., которое равно
.
Таким образом, любой элемент таблицы Менделеева изображается в следующем виде:
n = количество нейтронов.
4. Радиус ядра атома зависит от числа содержащихся в нем нуклонов. Опыты показали, что средняя плотность нуклонов для всех ядер приблизительно одинаковы, следовательно, объем ядра ~ массовому числу, а следовательно
см.
В настоящее время принято
см
см
.
Проведенные опыты по рассеиванию -частиц на ядрах показали, что радиус действия ядерных сил больше радиуса, в котором распределены нуклоны.
Последняя формула для радиуса ядер имеет вид:
.
5. Масса ядра.
В настоящее время существует множество моделей атомных ядер, а следовательно множество формул, связывающих массы ядер с их составом. Однако в первом приближении все модели приводят к выводу, что масса ядра ~ массовому числу A
,
-
постоянная величина.
Отсюда следует, что плотность ядерного вещества приблизительно одинакова для всех ядер.
Если ядро состоит из протонов и нейтронов, то масса ядра должна быть связана с их массами. Измерение масс ядер показывает, что масса ядра всегда меньше суммы масс исходных нуклонов. Разность между массой всех исходных частиц и массой ядра называется дефектом масс:
.
Это
означает, что при образовании ядра часть
массы исходных частиц должна передаваться
окружающей среде в виде энергии, которая
согласно формуле Эйнштейна
- называется энергией связи. Она
показывает, какую энергию необходимо
затратить для расщепления ядра на
составные части.
Более важной характеристикой ядра является удельная энергия связи, то есть энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон
О
казалось,
что Е
зависит от массового числа А.
То
есть существуют ядра химических
элементов, в которых
велика. Это ядра с массовыми числами
50-60, для которых энергия связи около 9
Мэв.
а)
В таких ядрах протоны и нейтроны наиболее плотно упакованы, поэтому больше, чем в среднем.
б) Все точки для средней энергии связи на нуклон ложатся на гладкую кривую, за исключением ядер с магическими числами.
Они,
как правило, имеют зарядовые числа
,
либо
число нейтронов
.
Существуют также ядра, у которых Z и N входят в ряд магических чисел, такие ядра назвали дважды магическими.
Это:
,
,
,
,
.