WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«Д.Б. Ким, Д.И. Левит ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Учебное пособие Братск Издательство Братского государственного университета 2012 УДК 630.81 Ким Д.Б., Левит Д.И. Физика ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Д.Б. Ким, Д.И. Левит

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Учебное пособие

Братск

Издательство Братского государственного университета

2012

УДК 630.81

Ким Д.Б., Левит Д.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие. – Братск: ФБГОУ ВПО «БрГУ», 2012. – 145 с.

В рамках курса общей физики в учебном пособии рассмотрены современные представления физики атомного ядра и элементарных частиц, в частности, состав, характеристики, модели и свойства атомных ядер, а также деление ядер и использование ядерной энергетики человечеством. Описаны типы радиоактивности и их элементарные теории, дозы излучений, единицы измерений радиоактивности и проблемы ядерной энергетики, перспективы развития управляемого термоядерного синтеза.

Приведена классификация и систематика элементарных частиц в Стандартной модели.

Предназначено для студентов всех технических специальностей, в частности «Телекоммуникации (ТК-550400)», «Электроэнергетика (ЭП-650900)», «Управление в технических системах (УТСАвтоматизация производственных процессов (АППЭкология-013100» и др. Может быть полезно преподавателям, читающим курс общей физики.

Табл. 22. Ил. 38. Библиогр. 7 назв.

В.К. Воронов, д-р хим. наук, профессор Иркутского нациоРецензенты:

нально-исследовательского технического университета;

А.Т. Афанасьев, д-р физ.-мат. наук, профессор Иркутского госуниверситета Печатается по решению редакционно-издательского совета © ФГБОУ ВПО «БрГУ», © Д.Б. Ким, Д.И. Левит,

ВВЕДЕНИЕ

К началу XX в. стало ясно, что атомное ядро имеет сложную структуру, и после открытия протона и нейтрона (нуклонов) была предложена его протонно-нейтронная модель. Установлено, что между нуклонами внутри ядра действуют ядерные силы, переносчиками которых являются пионы. Созданы модели, описывающие свойства ядер. Открыта радиоактивность, излучения которой влияют на живой организм, на экосистему в целом. К 1940 году физикам удалось расщепить атомные ядра и предсказать возможность использования ядерной энергетики. В это время создан и первый атомный реактор.

К началу 1950 года получен термоядерный синтез и созданы установки для управляемого термоядерного синтеза.





С 1898 г. по 1970 г. было открыто большое количество элементарных частиц, включая кварки, калибровочные бозоны и др. А также создана единая теория взаимодействия (объединение трех взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного).

Элементарная частица – собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые, как считается в настоящее время, невозможно расщепить на составные части.

Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Некоторые элементарные частицы считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные. Другие имеют сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Со времени открытия элементарной частицы (электрона) их обнаружено уже более 400.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что, по крайней мере, адроны обладают внутренними степенями свободы, т.е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, самыми элементарными частицами вещества считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

Открытие Дж. Томсоном электрона (е-) при исследовании катодных лучей в 1897 г. вплотную приблизило ученых к пониманию строения атома. Тот же ученый в 1901 году предложил одну из первых его моделей. Согласно модели Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из положительно заряженного шара с зарядом +Ze (e = 1,6 · 10-19Кл – элементарный заряд), внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10-8см. Однако исследования, выполненные в 1911 году Э. Резерфордом по изучению рассеяния -частиц при прохождении через тонкую фольгу, показали несостоятельность модели Томсона. Угловое распределение -частиц, рассеянных на тонкой золотой фольге ( = 0 180 ), свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для создания планетарной (ядерной) модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12см с зарядом +Ze и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома, в нем сосредоточено 99,98 % его массы.

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики.

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию -частиц на различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке частицами ядер азота, из него вылетают частицы положительно заряженные. Величина их заряда по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженные частицы были названы протонами (р).





В 1930 г. при облучении -частицами тонкой фольги из бериллия В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильное проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц, а в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это – новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном (п). Сразу после этого открытия Д. Иваненко и В. Гейзенберг создали протонно-нейтронную модель атомного ядра. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия: ~10-13 см.

Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра: ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным взаимодействием.

Из выражения релятивистской энергии свободной частицы в 1928 г. П. Дираком было предсказано существование античастицы – позитрона ( e + ).

Эта энергия может принимать как положительные ( E mc 2 ), так и отрицательные ( E mc 2 ) значения, которые разделены щелью шириной Позитрон экспериментально открыт в 1932 г. К. Андерсоном в космических лучах с помощью камеры Вильсона.

В 1933 г. Ф. Жолио-Кюри, Ирэн Кюри, а также К. Андерсон, П. Блэкетт и Дж. Оккиалини наблюдали образование электроннопозитронных пар при взаимодействии лучей с веществом. В том же году Ф. Жолио-Кюри и Ж. Тибо зарегистрировали процесс двухфотонной аннигиляции электрона и позитрона.

Таким образом, теория Дирака получила всеобщее признание и стало ясно, что у каждой частицы должна быть своя античастица.

Итак, к 1932 г. были открыты: фотон (, в квантовой теории света А. Эйнштейна), электрон, протон, нейтрон и позитрон.

В том же году Э. Ферми разработал теорию -распада, согласно которой -электроны при распаде принимают различные значения энергии. Паули предположил, что при распаде вместе с -электроном вылетает нейтрино е со спином и массой покоя, составляющими s =, m = 0.

В 1956 г. К. Коуэном и Ф. Райнесом было открыто нейтрино при помощи реакции где e – антинейтрино.

При исследовании атомного ядра ученые пришли к выводу, что между нуклонами действуют ядерные силы. Переносчиками их являются частицы пи-мезоны ( +,, 0 ), предсказанные в 1935 г. Х. Юкава. Они были открыты в 1947 г. П. Пауэллом в космических лучах.

В 1937 г. К. Андерсоном и С. Недермайером открыта частица µ -мезон (мюон), а в 1975 г. группой М. Перен открыт тяжелый лептон – тау-мезон. Позднее стало ясно, что электроны, мюоны, -мезоны, вместе с ними нейтрино ( e, µ, ) не участвуют в сильных взаимодействиях и образуют обособленный класс – так называемые лептоны, которые участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. Размер их меньше 1016 см.

В середине 50-х годов были открыты странные частицы каоны K +, K 0 и гипероны, например -гиперон. В последующие годы открыты резонансные частицы, а также промежуточные бозоны и тяжелые мезоны.

Это был краткий экскурс в историю открытия элементарных частиц.

В данном пособии изложена часть разделов курса общей физики, который состоит из механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, физики атомного ядра и элементарных частиц, элементов квантовой теории твердого тела, а также современного представления Вселенной.

Раздел физики атомного ядра и элементарных частиц для освоения студентами является трудоемким и сложным. Поэтому авторы, опираясь на многолетний опыт чтения лекций курса физики, а также дисциплины «Радиационная экология», пытались излагать на максимально доступном для студентов языке с использованием простейшей математики.

В первом разделе пособия описана физика атомного ядра: состав, характеристики, энергия связи, масса, радиоактивность и модели атомных ядер, деление ядер, цепная реакция ядер, ядерный реактор и использование ядерной энергии.

Во втором разделе пособия даны классификация и систематика, характеристики и свойства элементарных частиц.

Содержание пособия соответствует ГОСТу для технических специальностей, в частности для специальностей АПП (220200), УТС (220400), ТК (550400), ЭП, ЭС (650900), Экология (013100) и других.

Авторы будут признательны всем за использование материала и учтут в дальнейшем все замечания по данному пособию.

После открытия протона и построения Резерфордом и Бором ядерной модели атома ученые поставили перед собой задачу выяснить состав атомного ядра. Известно, что ядро атома водорода состоит из одного протона, а ядро гелия – приблизительно из четырех масс протона с электрическим зарядом +2е. Можно было предположить, что атомное ядро состоит: 1) из протонов; 2) из протонов и электронов; 3) из протонов и нейтральных частиц.

Правильность предположенных моделей ядра могут подтвердить только эксперименты. Экспериментальные исследования показали, что среди совокупности атомов, образующих тот или иной химический элемент, имеются атомы с разной массой. Например, среди атомов хлора Cl встречаются атомы с массой 35 и 37 а.е.м.

Среди атомов германия Ge встречаются атомы с массой 72, 73, 74, 76 а.е.м. Хотя массы атомов различны, однако химические свойства их одинаковы. Одинаковость химических свойств означает, что электронные оболочки их одинаковы, одинаков и заряд ядра.

Элементы с одинаковыми химическими свойствами и разными массами называются изотопами. Эти данные позволяют предположить, что ядро состоит из протонов и электронов. Протонэлектронная модель ядра была предложена Гейзенбергом в 1926 г.

Его модель не имела успеха. Это объясняется следующей оценкой энергии электрона в ядре: E~ћ/Rc40 МэВ, исходя из соотношения неопределенностей С другой стороны, энергия электронов, выбрасываемых ядрами в виде -частиц, не превышает 5 МэВ. Поэтому электрону с энергией 40 МэВ невозможно удержаться в ядре. Кроме того, электрон с такой энергией должен локализоваться в пределах размера ~ 10-13 м, тогда как радиусы ядер меньше чем 10-15 м. Следовательно, электроны должны находиться вне ядра. Есть и другие трудности, доказывающие несостоятельность протон-электронной модели ядра.

После открытия английским физиком Чедвиком в 1932 г.

нейтрона советский физик Д. Иваненко и независимо от него немецкий физик В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, которые называются нуклонами.

Масса протона (р) mp = 1836,2me = 1,672 · 10-27кг = 938, МэВ = 1,00728 а.е.м., где me9,110-31 кг = 0,511 МэВ = 0,00055 а.е.м.

– масса электрона. 1 а.е.м. = mC12/12 = 1,66·10-27кг = 931,44МэВ, где mC12 – масса атома углерода C12.

Заряд протона приблизительно q p 1,6 1019 Кл.

Протон – стабильная частица, время ее жизни более 1032 лет.

Спин протона s = ; проекция момента импульса Ls = ;

Магнитный момент µ= 2,79µ я, где µ я = – ядерный магнетон, R p 1015 м – радиус протона.

Масса нейтрона (n) mn = 939,55 МэВ = 1,67510-27 кг = 1, а.е.м.; заряд нейтрона qn = 0 ; спин нейтрона s = 1 ; магнитный момент µ n =1,91µ я ; время жизни 15 мин.

Нейтрон – нестабильная частица, распад которой происходит по схеме n p + e + (антинейтрино).

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z, которое определяет количество протонов (p) в ядре, порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и заряд ядра в условных единицах qя = Zе, где е – заряд позитрона (элементарный заряд).

Массовое число А определяет число протонов (p) и нейтронов (n) в ядре и массу ядра в атомных единицах.

Любое атомное ядро условно обозначается Z X A. Например, ядро кислорода – 8 О16, т.е. оно состоит из 8 протонов и 8 нейтронов (Z = 8, A = 16, N = 8).

Ядра с одинаковыми массовыми числами A называются изобарами ( 18 Ar 40, 20 Co 40, где А = 40).

Ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но разными массовыми числами A называются изотопами ( 8 O16, 8 O17, 8 O18, где Z = 8, A = 16; 17; 18).

Ядра с одинаковым числом нейтронов называются изотонами ( 6 C13, 7 N14, где число нейтронов A – Z = 7).

Ядра с одинаковыми массовыми и зарядовыми числами (A и Z), но разными периодами полураспада называются изомерами (например, 35 Br 80 – существуют радиоактивные ядра брома с периодами полураспада T1 = 18 мин, T2 = 4, 4 ч ).

В природе существуют атомные ядра (нуклеиды) с зарядовым числом Z = 1 – 92. Исключением является ядро технеция (Z = 43), полученное искусственным путем. Так же искусственно получено большое количество ядер, начиная с Z = 93 по Z = 118. Число нуклонов в таких ядрах достигает 300. Всего известно около атомных ядер. Среди них – необычные, искусственно полученные изотопы, такие как 2 He10, 6 C8, 8 O12, 8 O 26.Условно все известные ядра можно разделить на две группы:

1) стабильные и долгоживущие ядра (всего их 285). Стабильных ядер – 264. Долгоживущими принято считать ядра с периодом полураспада T1 5 108 лет ;

2) радиоактивные ядра (их около 2700). Для этой категории ядер T1 5 108 лет.

Из анализа таблицы нуклидов можно выявить следующие закономерности атомных ядер:

1. Не существует стабильных ядер со значениями Z= (нейтрон, технеций (43), прометий (61)) и с Z 84.

2. Можно прогнозировать существование острова стабильных ядер с Z = 110 – 114 и N=178 – 184 (число нейтронов).

3. У каждого элемента имеется сравнительно небольшое число устойчивых изотопов. В среднем на каждое значение Z приходится около трех изотопных нуклидов.

4. При сравнительно малых A 40 стабильные ядра содержат примерно одинаковое число нейтронов и протонов. Например, нейтронов возрастает. Например, у урана 92 U 238 число нейтронов составляет более 60 % от общего числа нуклонов.

5. Ядра с четными значениями Z встречаются чаще и являются более стабильными по сравнению с ядрами с нечетными Z.

6. Свойства ядер зависят от четности чисел Z и N. Больше всего стабильных ядер с четными числами Z и N (А – четное) (четночетные ядра, условное обозначение – ЧЧ). Затем идут четнонечетные ядра (Z – четное, N – нечетное или наоборот, А – нечетное) и нечетно-нечетные ядра – НН (N и Z – нечетные, А – четное).

Последних всего четыре: дейтерий 1 H 2, литий 3 Li 6, бор 5 B10 и азот 7 N14.

7. Наиболее устойчивыми являются магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Например, с N = 20 – 16 S, 17 Cl, 18 Ar, 19 K Ba138, 57 La139, 58 Ce140.

Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являются и число протонов, и число нейтронов. К ним относятся гелий 2 He4, кислород 8 O16, кальций 20 Ca 40 и 20 Ca 48, свинец Pb 208.

1.3. Магнитный момент, спин и радиус ядра Протон и нейтрон (нуклоны) обладают спинами, равными (в единицах ), и магнитным моментом. Полный момент импульса нуклона состоит из спинового ( s ) и орбитального l моментов: j= l + s. Тогда атомное ядро обладает полным моментом импульса J, который складывается из суммарного спинового момента нуклонов S = si и из орбитального момента L = li, обусловленного движением ядра как целого: J= S + L.

Существуют следующие закономерности ядерных спинов:

• ядра с четными А имеют целые спины, а с нечетными А – полуцелые спины;

• четно-четные ядра Магнитный момент µ атомного ядра складывается из магнитных моментов нуклонов и определяется формулой где g – фактор, который зависит от J и S; µ 0 = – ядерный магнетон.

Из эмпирических закономерностей следует:

1. Магнитные моменты ядер по порядку величины равны ядерному магнетону, т.е. на 3 порядка меньше атомных магнитных моментов.

2. У ядер с нулевым спином (у четно-четных (ЧЧ) ядер) магнитные моменты равны нулю.

3. У всех ядер g-факторы лежат в пределах от – 4 до + 6.

Исследования показывают, что ядра обладают еще квадрупольным электрическим моментом (КЭМ) где Q0 – внутренний (собственный) квадрупольный момент.

Наличие КЭМ обусловлено несферической симметричностью формы ядра, т.е. оно имеет форму эллипсоида.

По современным представлениям радиус ядра можно определить в результате детального исследования распределения электрического заряда внутри атомных ядер. Из исследования рассеяния быстрых электронов на ядрах получена зависимость плотности заряда ( r ) от расстояния r (рис. 1). Из графика видно, что атомные ядра не имеют резкой границы. Толщина t поверхностного слоя, определяемого как расстояние, на котором плотность заряда уменьшается от 90 % до 10 % своего значения ( 0 ) в центре ядра, приблизительно одна и та же у всех ядер и равняется 2,4 – 2,5 фм ( 1фм = 1015 м ). Поэтому радиусом ядра R называют расстояние от его центра до точки, в которой плотность заряда уменьшается в два раза по сравнению с его плотностью в центре.

Рис. 1. Зависимость плотности заряда от расстояния Если в первом приближении несферичностью ядра можно пренебречь, т.е. ядро считать сферичным, то, опираясь на пропорциональность энергии связи числу нуклонов А, радиус ядра можно определить формулой или В результате исследований установили, что плотность ядерного вещества имеет такую же зависимость, что и плотность электрического заряда (см. рис. 1). В связи с этим плотность ядерного вещества считают постоянной: расчет дает значение порядка 1.4. Дефект массы и энергия связи атомного ядра Экспериментальные исследования показывают, что масса атомного ядра mя всегда меньше суммы масс входящих в ядро частиц (протонов и нейтронов). Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется большая энергия, которая называется энергией связи (Wсв ).

Энергия связи (Wсв ) – это энергия, в Дж, равная работе, которую нужно совершить, чтобы разложить ядро на нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они не будут взаимодействовать друг с другом:

где с – скорость света в вакууме, м/с; m – масса, кг.

В ядерной физике энергия и масса частиц рассматриваются в энергетических единицах измерений – мегаэлектронвольтах (МэВ). С учетом переводного коэффициента энергию связи можно также преобразовать в МэВ:

Эту формулу используют при измерении массы ядра в атомных единицах масс [ а.е.м.].

В периодической таблице Менделеева масса атома каждого химического элемента дана в а.е.м., она состоит из масс ядра и электронов, и если массу электронов учесть в формуле (2), то эту формулу можно записать в виде где mн масса атома водорода.

Если Wсв 0, то ядро устойчиво, если Wсв 0, то ядро абсолютно неустойчиво.

Рассмотрим пример. Пусть из двух протонов и двух нейтронов образуется ядро гелия 2 He 4. Найдем энергию связи ядра:

= 931, 44 [ 2 1,00728 + 2 1,00866 4,00260] 28, 4 МэВ.

Это очень большая энергия. Если ее перевести в температуру, то 28,4 МэВ соответствуют ~1011К.

Используя формулу (2а), можно рассчитать энергию отделения нуклонов и -частиц.

Для отделения -частицы от ядра необходима энергия, равная где Wсв ( Z, A ) – энергия связи начального ядра, которая определяется mя ( Z, A ) – энергия связи конечного ядра, образовавшегося после вылета -частицы. Массы берутся в а.е.м.

Энергия выделения нейтрона из ядра Энергия выделения протона из ядра Формулы (4), (5) очень важны для предсказания возможного существования атомных ядер. Ориентировочно возможно около 6 500 ядер. Из них в настоящее время известно около 3 000 ядер.

Также можно предсказать, какие ядра стабильны, какие – нестабильны, какие -радиоактивны, какие -радиоактивны, а также составить таблицу энергии связи ядер. Эти предсказания можно получить из диаграммы зависимости зарядового числа Z от числа нейтронов N (диаграмма ZN). Из формулы (2а) следует, что энергия связи ядра Wсв с ростом А линейно возрастает (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость энергии связи от массового числа Однако диаграмма, представленная на рис. 2, дает малую информацию о состоянии ядер и совсем не определяет их стабильность. Поэтому вместо энергии связи рассмотрению подлежит удельная энергия связи, т.е. энергия связи, приходящаяся на один Зависимость от массового числа А показана на рис. 3. Как видно из рисунка, в области малых А удельная энергия связи быстро растет с ростом массового числа (приблизительно от 0 до 16) и достигает широкого максимума, центр которого расположен в области элементов, близких к ядру железа 26 Fe56. Этот максимум называют железным максимумом max = МэВ. При дальнук нейшем увеличении А удельная энергия связи медленно уменьшается, достигая 7,6 МэВ для урана 92 U 238. Среднее значение удельной энергии связи = МэВ.

Анализ кривой на рис. 3 и известной таблицы энергии связи позволяет сделать следующие выводы о свойствах атомных ядер:

1. Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова и совпадает со средним значением. Поэтому полная энергия связи примерно определяется формулой 2. Удельная энергия связи не строго постоянна, а имеет максимум в области элементов железа, спадая к обоим краям кривой ( А ).

Уменьшение при переходе к тяжелым ядрам (А 100) объясняется кулоновским отталкиванием протонов. Его энергия пропорциональна Z 2 и приводит к реакции деления ядер. Резкое уменьшение при малых А (А 16) объясняется поверхностными эффектами, которые возрастают при увеличении отношения площади поверхности к объему. Данный эффект вызывает слияние легких ядер.

Приведенная на рис. 3 зависимость от А указывает на два способа получения ядерной энергии: деление тяжелых ядер; слияние (синтез) легких ядер.

Рис. 3. Зависимость удельной энергии связи = W/A от массового числа А Знание масс атомных ядер важно для определения возможных способов их распадов и превращений в различных ядерных реакциях. Сведения о массах ядер даются в специальных таблицах.

Обычно в таблицах атомных ядер даются не их массы m ( A, Z ), а так называемые дефекты масс ( A, Z ). Дефектом масс называют величину где u – а.е.м., или в энергетических единицах, МэВ, Тогда энергию связи (2а) ядра можно записать в виде где H m p c 2 + me c 2 uc 2 938, 272 + 0,511 931, 494 7, 289 МэВ – дефект массы атома водорода;

n mn c 2 uc 2 939,565 931, 494 8,071 МэВ – дефект массы нейтрона.

Отсюда энергия связи (6) примет вид, МэВ, Таблица дефектов масс 217 нуклидов приведена в прил. 1.

Зная дефект масс, можно найти массу атома любого химического элемента по формуле Рассмотрим пример.

По таблице дефектов масс найдем энергию связи атома 8 О16 :

Масса атома 8 О16 равна Величина, равная отношению дефекта масс ( A, Z ) к массовому числу А, называется упаковочным коэффициентом ядра:

Все попытки построить законченную теорию, объясняющую структуру и все свойства атомного ядра, натолкнулись на вопросы и трудности, требующие разрешения:

1. Какие ядра стабильны, какие радиоактивны? Каковы виды радиоактивности, период полураспада, форма спектра?

2. Чему равны радиус, масса, энергия связи, спин, магнитный момент, четность, квадрупольный электрический момент и другие характеристики?

3. Как распределены энергетические состояния в атомном Эти трудности объясняются недостатком знаний о ядерных силах и чрезвычайно громоздким решением квантовой задачи многих тел (ядро состоит из большого числа нейтронов и протонов), что вынудило идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью простых математических формул определенную совокупность свойств ядра. Каждая модель описывает свой круг явлений и свою совокупность свойств ядра и имеет ограниченную область применения. Однако в пределах этой области каждая модель позволяет получить ряд интересных результатов.

За основу той или иной модели берут произвольные параметры и предположения, значения которых подбираются так, чтобы они согласовывались с экспериментом.

Рассмотрим несколько ядерных моделей: капельную, оболочную, обобщенную и сверхтекучую.

Капельная модель ядра была создана Н. Бором, Я.И. Френкелем и Д. Уиллером. Теоретические расчеты показали, что плотность ядерного вещества и удельная энергия связи для всех ядер постоянны, а ядерные силы обладают свойством насыщения. Эти свойства придают ядру сходство с каплей жидкости.

Капельная модель ядра могла объяснить деление тяжелых ядер и некоторые закономерности -распада; получить качественное представление о структуре первых возбужденных состояний четно-четных ядер, предсказать массы и энергии связи некоторых новых ядер и получить полуэмпирическую формулу для энергии связи и массы ядра.

Впервые полуэмпирическую формулу энергии связи ядра получил Вайцзеккер в виде где,, – коэффициенты пропорциональности; А и Z – массовое и зарядовое числа.

Уменьшение энергии связи ядра (члены со знаком минус) связано со следующими причинами:

A 3 – поверхностным отталкиванием ядерной капли, т.е.

поверхностные нуклоны ядерной капли притягиваются только с одной внутренней стороны;

1 – кулоновским отталкиванием между заряженными протонами;

с одинаковым числом нейтронов и протонов наиболее устойчивы.

При отклонении от равенства Z = энергия связи уменьшается.

Можно вычислить и массу ядра, т.е.

Используя формулы (7) и (8), можно вычислить энергии и -распадов.

Капельная модель ядра имеет недостатки. Она не позволяет количественно рассчитать энергию возбужденного ядра. Существует круг вопросов, которые капельная модель совсем не затрагивает, в частности индивидуальные характеристики основных и возбужденных состояний ядер (энергии связи, спины, магнитные моменты и четности), некоторые особенности и -распадов и др.

Оболочная модель ядра была развита Геппер-Майером и другими учеными. В основу идеи этой модели положено сходство своеобразной периодичности в свойствах ядер с периодическим изменением свойств атомов в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

По этой системе в атоме имеется центральное кулоновское поле притяжения (силовой центр), в котором движутся электроны.

Заполнение уровней атома электронами подчиняется принципу Паули, т.е. в основе идеи – три предположения:

1) сферическая симметрия ядра;

2) отсутствие взаимодействия между нуклонами;

3) справедливость принципа Паули для нуклонов.

Идея оболочной модели такова: радиус атомного ядра рассчитывается по формуле В среднем для A = 100 радиус ядра равен = 5,7 1015 м.

Средняя длина свободного пробега нуклона в ядре составляет 3 1016 м, т.е. на порядок меньше, чем радиус ядра.

Малый радиус взаимодействия между нуклонами за счет сильного взаимодействия позволяет говорить о том, что нуклоны независимо друг от друга движутся в усредненном центральносимметричном поле в глубокой потенциальной яме (глубина ямы – около 30 МэВ) с дискретными энергетическими уровнями.

Тогда нуклоны в потенциальной яме по энергетическим уровням заполняются в соответствии с принципом Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненная нуклонами оболочка образует остов с нулевыми моментами импульса и магнитным и является особо устойчивым образованием.

Из опытов следует, что особо устойчивыми оказываются магические ядра.

Опыты показывают, что особо устойчивые ядра обладают наибольшей энергией связи. Причем суммарный момент (спина и магнитного) для четно-четных ядер равен нулю, а суммарный момент нечетно-нечетных ядер, непарные нуклоны которых находятся в одинаковых состояниях, равен удвоенному моменту нуклона.

Правильность оболочной модели ядра доказывается экспериментами: изомерным сдвигом ядер; правилом отбора -распада.

У модели есть недостатки:

1. Ярко выраженная структура вращательных уровней у ряда четно-четных ядер. Этот эксперимент противоречит модели, основанной на предположении о сферической симметрии ядра.

2. Различие значений спинов некоторых ядер с экспериментом.

3. Заниженные значения электрических квадрупольных моментов для ядер.

Недостатки оболочной модели объясняются тем, что ядро не является сферически симметричной системой, а нуклоны взаимодействуют между собой и не являются свободными. Если учитывать вышеуказанные в оболочной модели ядра, то получим обобщенную модель ядра.

Обобщенная модель ядра развита в 1950-е гг. трудами Бора, Моттельсона, Уиллера и других.

Основная идея данной модели основывается на предположениях о взаимодействии между нуклонами и несферичности ядра, в результате чего:

1) в несферической потенциальной яме должны появиться одночастичные состояния, отличные от тех состояний, которые были найдены для сферической ямы;

2) в ядре с небольшим избытком нуклонов, сверх замкнутых оболочек, возможно появление колебательных уровней в результате взаимодействия избыточных нуклонов с поверхностью ядра;

3) в ядре с большим избытком нуклонов, сверх заполненной оболочки, должны возникать вращательные уровни;

4) при очень сильных возбуждениях ядра возможны колебания всех нуклонов.

Все вышеперечисленное подтверждается экспериментально:

• получены правильные значения спинов для некоторых несферических ядер;

• объяснены вращательные уровни у несферических ядер, а также колебательные спектры;

• получено согласие между расчетными и экспериментальными значениями магнитных моментов ядер;

• можно объяснить большие значения квадрупольных электрических моментов.

При всех успехах оболочной и обобщенной моделей ядра остаются необъясненными:

1) различие в массах и энергиях связи четно-четных, нечетных и нечетно-нечетных ядер;

2) отличие энергетических щелей (энергетическое расстояние между основным и первым возбужденным состояниями) у четно-четных ядер (1 МэВ) от нечетных и нечетнонечетных ядер (~10 кэВ);

3) различие моментов инерции между нечетными и четночетными ядрами.

Для объяснения этих и некоторых других особенностей свойств ядра была предложена его сверхтекучая модель. В основу ее положено выделение парных сил притяжения между нуклонами с одинаковой энергией и моментом и противоположными по знаку проекциями момента.

Как известно, в четно-четных ядрах все нуклоны спарены и спины этих ядер равны нулю. Чтобы перевести четно-четные ядра в возбужденное состояние, надо разорвать связь пары нуклонов, т.е. требуется затрата большой энергии, что приводит к образованию энергетической щели, подобно как в сверхпроводниках.

На основе этой аналогии Н.Н. Боголюбов в 1958 г. впервые указал на возможность существования сверхтекучести ядерного вещества. Теорию сверхтекучего состояния ядра построили в 1959 г.

С.Т. Беляев и В.Г. Соловьев.

Выше приведены данные, которые показывают, что атомные ядра являются устойчивыми и обладают большой удельной энергией связи (до 8,7 Мэв/нук). Ввиду этого возникает вопрос, действием каких сил обусловлена прочная связь нуклонов внутри ядра.

Известно, что между нуклонами действует гравитационная сила притяжения Fгр, а между электрически заряженными протонами, кроме гравитационной силы, – кулоновская сила отталкивания Fкл, которая намного больше гравитационной (Fкл Fгр). Если кроме них нет других сил, то атомное ядро под действием кулоновской силы отталкивания должно распасться. Однако, как выше упомянуто, ядро – устойчивое образование. Следовательно, можно предположить, что внутри ядра, кроме вышеуказанных сил, между нуклонами действуют силы иной природы, которые названы ядерными и которые обусловлены сильным взаимодействием между нуклонами.

Ядерные силы обладают некоторыми особенностями:

1. Они являются короткодействующими силами. Радиус их действия имеет порядок r0 ~ 1015 м, то есть если радиус действия быстро спадают, а если r r0, то притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2. Ядерные силы зарядово-независимы, т.е. они действуют между протонами ( p p ), между нейтронами ( n n ), а также между протоном и нейтроном ( p n ) и имеют одинаковую величину.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода (D – дейтон), только в том случае, если их спины параллельны друг другу ( ).

4. Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это значит, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении их количества сначала резко возрастает, а затем практически не изменяется.

Теория ядерных сил очень сложна и не имеет законченного вида, который объяснил бы и предсказал все многообразие их свойств.

Первыми данную теорию в виде гипотезы предложили Д.Д.

Иваненко и И.Е. Тамм в 1934 г. Их гипотеза, основанная на теории -распада Ферми, состояла в том, что ядерное взаимодействие осуществляется через поле, квантами которого являются электронно-нейтринные пары, и нуклоны обмениваются этими парами между собой. Теория не имела успеха.

В 1935 г. японский физик Юкава, используя известные в то время характеристики ядерных сил и соотношение неопределенностей энергия-время W t, предсказал, что ядерные силы обусловлены тем, что нуклоны обмениваются между собой виртуальными гипотетическими частицами, массы которых составляют порядка 200 300 me ( me масса электрона). Эти гипотетические частицы назвали мезонами (средние). В квантовой механике виртуальными считаются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Позже из свойств ядерных сил вывели, что должно существовать три сорта мезонов – положительные, отрицательные и нейтральные, и наблюдаться они должны не только в виртуальном, но и в свободном состоянии. Начались поиски этих частиц.

В 1937 г. К. Андерсон и С. Недермайер обнаружили в космических лучах частицу с массой примерно 200 me, которую назвали µ -мезоном (мюоном). Мюон не имел отношения к ядерным силам.

В 1947 г. С. Пауэлл и Д. Оккиалини в космических лучах обнаружили новые мезоны, массы которых составляли примерно 270 me. Они были названы -мезонами (пионами). Пионы существуют в виде +,, 0. Они являются переносчиками ядерных сил. То есть два нуклона, находясь на малом расстоянии друг от друга r обмениваются виртуальными пионами.

При этом возможны четыре типа обмена:

Масса заряженных пимезонов ± – 273 me (140 МэВ ), время жизни – 2,6 108 с. Масса пимезона 0 – 246 me, время жизни – 8 1017 с.

Основная идея Юкава о существовании виртуальных частиц состоит в следующем. Из-за соотношения неопределенностей за время обмена t ~ виртуальными частицами между нуклоW нами может быть нарушен закон сохранения энергии в пределах W. Допустим, промежуточная виртуальная частица, осуществляющая ядерное взаимодействие, обладает массой m. Тогда при испускании и поглощении энергии происходит «нарушение» закона ее сохранения на величину W = 2. Пусть частица движется между нуклонами со скоростью света, а расстояние между нуклонами составляет Rs ( Rs – радиус действия ядерных сил ~ 10-15 м).

Тогда время прохождения частицы t s. Подставляя это знаc чение в соотношение неопределенностей, получим:

Масса электрона me 9,1 1031 кг.

1. Опишите состав и характеристики атомного ядра.

2. Что называется энергией связи и дефектом масс ядра?

3. Перечислите и опишите модели атомных ядер.

4. Опишите ядерные силы и их состав.

2.1. Естественная и искусственная радиоактивность Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы других химических элементов, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Ядра, подверженные распаду, называют радиоактивными, не подверженные – стабильными.

В процессе распада у ядра могут измениться массовое (А) и зарядовое (Z) числа:

где ai – частицы, вылетающие в процессе распада.

Необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность, то есть масса радиоактивного материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и частиц, вылетающих при распаде, то есть распад возможен при mx m y + mi. Энерговыделение Q характеризуется энергией распада в Дж:

или в МэВ:

где масса частиц берется в а.е.м.

Всякий радиоактивный процесс, протекающий при Q0, называется экзотермическим, а при Q 0 – эндотермическим.

Существуют естественная и искусственная радиоактивности.

Между ними нет различий. Не все нестабильные ядра являются радиоактивными. На практике к радиоактивным относятся ядра, время жизни которых может быть измерено современными радиотехническими средствами (от 10-22с до 1010 лет).

Радиоактивность – процесс статистический; одинаковые ядра распадаются за различное время, т. е. протекает изомерный процесс.

Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов( например, U238).

Искусственная радиоактивность – радиоактивность, которая наблюдается у изотопов, являющихся результатом ядерных реакций. Искусственное радиоактивное ядро может быть получено путем бомбардировки стабильных ядер частицами. Например, -радиоактивное ядро 6 C14 получается при бомбардировке ядра нейтроном 7 N14, т.е. 7 N14 + 0 n1 6 C14 + 1 p1 + Q ; 6 C14 7 N14 ;

период полураспада T1 = 5730 лет. Существуют различные типы радиоактивного распада, которые показаны в табл. 1.

В 1984 году Джонс и Роуз открыли C14 -радиоактивность, т.е.

испускание C14 ядрами Ra223 по схеме: Ra223 C14+Pb209+Q (31,85 МэВ). Спонтанный вылет C14 был обнаружен и для других ядер: Fr221, Ra221, Ra222. В 1987 году открыт спонтанный распад ядер с вылетом тяжелых фрагментов, т. е. кластерная радиоактивность с испусканием Ne24, Mg 28, Si32. Эти распады хорошо объясняются теорией -распада, предложенной Г. Гамовым в 1928 году.

Протонная радиоактивность впервые наблюдалась в ядрах Tm147 и Lu151 по схеме: Lu151 Yb150+p. В настоящее время известно свыше 30 ядер (от Sb105 до Tl177), испускающих протоны из основного состояния.

Протонная радиоактив- –1 – ность Примечание. Е – сильное взаимодействие; W – слабое взаимодействие;

S – электромагнитное взаимодействие.

Двухпротонная радиоактивность была предсказана В.И. Гольданским в 1960 г. и обнаружена группой ученых под руководством Дж. Черни в 1983 г. при +-распаде изотопа Al22, который образовывался в реакции: Mg24 + He3 Al22 + p + 4n, затем Al22 распадался по цепочке: Al22 Mg22 + + (с T1/2 = 70 мс) Ne20+2p. Энергия вылетевших двух протонов составляла 4,139 и 5,636 МэВ соответственно.

В 1979 г. в ЦЕРНе была открыта запаздывающая двухнейтронная радиоактивность бериллия Be11, который образовался в результате -распада ядер Li11(T1/2 = 8,5 мс). В дальнейшем испускание пары запаздывающих нейтронов было обнаружено у ядер Na30, Na31 и Na32.

Правила сдвига зарядового и массового чисел позволяют сгруппировать все радиоактивные элементы в четыре больших семейства (или радиоактивные ряды):

1) ториевое 90Tn 232 T= 1, 4 1010 лет (12 превращений:

Интенсивность самопроизвольного радиоактивного распада со временем уменьшается. Это связано с тем, что с течением времени уменьшается первоначальное число радиоактивных ядер.

Данное утверждение основывается на двух предположениях:

1) постоянная распада не зависит от внешних условий;

2) число ядер dN, распадающихся за время dt, пропорционально числу нераспавшихся ядер N в момент времени t, т.е.

Самопроизвольный распад ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

где Nо – число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0; – постоянная распада, [ ] = 1, тогда число распавшихся ядер состаc вит Постоянная распада = это доля от общего числа ядер, распадающихся за единицу времени.

Время, за которое распадается половина из общего числа ядер, называют периодом полураспада T 1. Он связан с постоянln 2 0, Время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в е раз, называется временем релаксации. Оно связано с постоянной распада следующим соотношением: =.

Если происходит цепочка радиоактивных распадов и за время dt из общего числа материнских ядер (Nm) распадается dNm ядер, то есть dN= N m m dt, и за то же время распадается dNg (дочерних ядер), то есть dN= N g g dt, то при радиоактивном равновесии выполняется следующее условие: dN m = dN g, или m N m = g.

Соотношение = =... называется вековым уравнением.

Масса радиоактивных ядер определяется по формуле где А – атомная масса; – молярная масса; NА – число Авогадро.

Величина, равная числу распада ядер за единицу времени, называется активностью: a = (Беккерель). 1Бк = 1распад/с.

1Ки = 3,7·1010Бк.

Зависимость активности от времени имеет вид Ниже приведены примеры того, насколько различны периоды полураспада некоторых ядер, распространенных в экосистеме:

Sr Cs Pu При альфа-распаде исходное материнское ядро z X A переходит в дочернее ядро c массовым числом А-4 и зарядовым числом Z-2. Переход сопровождается -излучением по схеме Альфа-частица – это ядро атома гелия( 2 He 4 ).

Основные особенности альфа-распада состоят в следующем:

1. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с зарядом ядер Z 82. Исключение составляет небольшая группа редкоземельных металлов (РЗМ), у которых А140–60.

2. Периоды полураспада T1/2 -радиоактивных ядер изменяются от 5,3 10-8с для протактиния 91 Pa 219 до 8,3 1018 лет для ванадия 74W182.

3. Энергия распадных -частиц заключена в пределы: от 4 до 9 МэВ для тяжелых ядер и от 2,0 до 4,5 МэВ для ядер редкоземельных элементов.

4. Все -частицы, вылетающие из ядер заданного типа, имеют примерно равные энергии.

5. Альфа-частицы уносят практически всю энергию, выделяющуюся в процессе -распада.

6. Для четно-четных ядер зависимость периода полураспада от энергии -распада W хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера-Неттола:

где период полураспада T1/2 выражен в секундах, а W – в МэВ.

7. Для того чтобы происходил -распад, необходимо, чтобы масса исходного ядра m( A, Z ) была больше суммы масс конечного Альфа-частица обладает большой кинетической энергией, возникающей за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и -частицы. Поэтому скорости -частиц велики, порядка 107 м/с. Пролетая через вещество, -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества. Например, на образование одной пары ионов в воздухе в среднем тратится 35 эВ. На своем пути -частица образует примерно 105 пар ионов и останавливается.

Поэтому -частицы обладают малой проникающей способностью. Например, их прохождение может задержать тонкий лист бумаги.

Теория -частиц создана в 1928 году Г. Гамовым. Ядро можно представить в виде потенциальной ямы, в которой имеются дискретные энергетические уровни и находятся нуклоны. Глубина потенциальной ямы составляет порядка 30 МэВ. Внутри ядра в готовом виде -частицы не существуют. Они возникают в момент распада. Хотя энергия -частиц (9 МэВ) меньше, чем энергии потенциального барьера, они преодолевают потенциальный барьер туннелированием (просачиванием). Данный процесс показан на рис. 4.

Б е т а -р а с п а д о м называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобар с зарядом, отличающимся от исходного на Z = ±1, в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Период полураспада -радиоактивных ядер изменяется от 10-2 с до 1016 лет. Энергия -распада заключена в пределах от 2,64 кэВ (для Re187) до 16, МэВ (для 7 N14 ).

Известны три вида -распада: -распад, + -распад и e -захват ( K -захват).

Простейшим примером электронного -распада (если не считать -распад нейтрона) является -распад трития:

Этот процесс схематически изображен на рис. 5, а. В конечном итоге -распад трития сводится к превращению одного нейтрона в протон или, согласно современным кварковым представлениям, к превращению одного d-кварка в u-кварк.

Энергетическое условие возможности -распада ядра с массовым числом А и зарядом Z записывается так:

Для рассмотренного примера E = 0,018 МэВ.

Примером позитронного -распада является распад ядра 6 C, сопровождающийся испусканием положительного электрона – позитрона:

В этом случае + -распад ядра 6 C11 сводится как бы к превращению одного протона в нейтрон (рис. 5, б) или одного из u -кварков в d -кварк. Разумеется, это превращение надо понимать условно, так как масса протона меньше массы нейтрона, вследствие чего позитронный распад свободного протона невозможен.

Однако для протона, связанного в ядре, подобное превращение возможно, так как недостающая энергия восполняется ядром.

Энергетическое условие + -распада записывается по аналогии с условием -распада:

Для + -распада ядра 6 C11 она составляет E 1 МэВ.

Третий вид -радиоактивности – электронный захват ( e -захват) заключается в захвате ядром электрона из электронной оболочки собственного атома. Природа e -захвата была раскрыта при изучении сопровождающего его рентгеновского излучения.

Оказалось, что оно соответствует переходу электронов на освободившееся место в электронной оболочке образующегося после е-захвата атома ( A, Z 1). Электронный захват имеет существенное значение для тяжелых ядер, у которых K -оболочка расположена близко к ядру. Наряду с захватом электрона из K -оболочки ( K -захват) наблюдается также захват электрона из L -оболочки ( L -захват), из М -оболочки ( М -захват) и т. д. Кроме характеристического рентгеновского излучения, e -захват сопровождается испусканием электронов Оже.

Своеобразный характер процесса e -захвата (не испускание, а захват электрона ядром) приводит к тому, что в таком случае постоянная радиоактивного распада несколько зависит от внешних условий. Это связано с тем, что вероятность e -захвата пропорциональна плотности электронов в ядре (т.е. величине e в центре ядра), которая зависит от химической связи.

Примером легкого K -радиоактивного ядра является ядро 4 Be7, захватывающее K -электрон и превращающееся в ядро 3 Li 7 :

Схема e -захвата 4 Be7 изображена на рис. 5, в.

Энергетическое условие возможности K -захвата может быть записано следующим образом:

Для рассмотренного примера EK = 0,864 МэВ.

2.5. Характер -спектра и гипотеза нейтрино Измерения -спектров показали, что в процессе -распада испускаются электроны всех энергий от нуля до энергии (Te )max, приблизительно равной (в случае -распада) разности энергетических состояний исходного и конечного атомов:

Средняя энергия электронов, испускаемых тяжелыми ядрами, обычно составляет около 1/3 максимальной энергии: Te 1 (Te )max – и для естественных радиоактивных элементов заключена в пределах = 0,25 0,45 МэВ. У легких ядер -спектры более симметричны.

Для них Te ~ (Te )max. Типичный -спектр изображен на рис. 6.

Интерпретация непрерывного характера энергетического спектра электронов -распада в свое время вызвала очень большие трудности. Казалось, что подобно -распаду, при котором испускающиеся -частицы имеют вполне определенную энергию, -распад также должен приводить к испусканию монохроматических электронов, энергия которых будет определяться энергетическими состояниями исходного и конечного ядер:

Однако подобное предположение не согласуется с непрерывным характером экспериментального спектра электронов -распада. Для объяснения несовпадения энергии электронов с энергией, освобождающейся при таком распаде, были выдвинуты различные гипотезы.

Правильное объяснение непрерывного спектра электронов -распада дано Паули в 1932 г.: при -распаде вместе с электронами вылетает нейтральная частица с почти нулевой массой, которая уносит часть энергии (см. рис. 6):

где (Te )max разность энергии материнского ядра с энергиями дочернего ядра и электрона. Эту частицу Ферми назвал нейтрино (маленький нейтрон). Спин нейтрино составляет s = 1. Заряд его равен нулю.

Теория и эксперименты доказывают, что электроны в готовом виде внутри ядра не существуют. Они возникают в момент распада.

Теория -распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Ферми по аналогии с квантовой электродинамикой, однако для описания -распада Ферми ввел новый тип сил – слабое взаимодействие. Согласно квантовой электродинамике процесс испускания и поглощения фотонов рассматривается как результат взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем. Фотоны не содержатся в готовом виде в заряженной частице, а возникают в момент их испускания. Их источником является заряд.

Процесс -распада в теории Ферми рассматривается как результат взаимодействия нуклона ядра с электрон-нейтринным полем: нуклон переходит в другое состояние (из нейтрона в протон или наоборот), и образуются электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино). Источниками легких частиц являются нуклоны. При этом, так же как в электродинамике, предполагается, что в процессе -распада выполняются законы сохранения четности и момента количества движения.

По современной теории электрослабых взаимодействий, созданной Вайнбергом, Саламом и др., -распад объясняется обменом векторными бозонами W ± и Z 0 между кварками внутри нуклона по схеме, приведенной на рис. 7. Поэтому W ± и Z 0 являются квантами слабого взаимодействия.

На рис. 7 показан распад нейтрона по схеме диаграммы Фейнмана (ось t временная):

где u и d – кварки, причем Выражение (9) показывает превращение d -кварка в u -кварк с испусканием электрона и антинейтрино.

Экспериментально нейтрино зарегистрировали Ф. Рейнес и К. Коуэн с помощью реакции захвата:

Для нейтрино все вещества являются практически прозрачными, и очень сложно непосредственно фиксировать его.

2.7. Происхождение -лучей и взаимодействие их с веществом Впервые -лучи были открыты французским физиком Беккерелем при изучении естественного радиоактивного излучения. Эти лучи не отклонялись в магнитном и электрическом полях и обладали хорошей проникающей способностью.

Последующие исследования показали, что среди естественнорадиоактивных веществ не встречаются такие, которые излучали бы только -лучи. Значит, эти лучи сопровождают - и -излучения.

Это дает основание заключить, что при радиоактивном превращении ядра -лучи являются каким-то вторичным процессом. Исследование их спектра показало, что он дискретен, т.е. имеет линейчатый характер. Эти данные позволяют предположить, что лучи возникают при переходе ядра из возбужденного состояния в основное. Прямыми опытами удалось доказать, что при радиоактивном превращении -лучи испускаются не самими радиоактивными веществами, а ядром, образовавшимся в процессе радиоактивного превращения.

При -излучении состав ядра не изменяется, А и Z остаются прежними. Поскольку -лучи несут энергию, то в этом процессе меняется энергия ядра. Наблюдается -излучение при следующих реакциях:

По физической природе -излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения с длинами волн от 10-10 до 10-13м и с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ.

Энергия W -кванта определяется разностью энергий уровней ядра, между которыми происходит радиационный переход (см. рис. 8).

Подобно заряженным частицам пучок -квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий.

Однако механизм этого поглощения существенно иной.

Тому есть две причины.

Рис. 8. Гамма-переход между уровнями ядра Во-первых, -кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвергаются влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Радиус взаимодействия -фотона с электронами ~ 1011 см, что много меньше, чем a = 108 см ( a межатомное расстояние). Поэтому -кванты при прохождении через вещество редко взаимодействуют с электронами и ядрами. Зато при столкновении они резко отклоняются от своего пути и поглощаются.

Во-вторых, -кванты обладают m0 = 0 и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света. А это значит, что -кванты не могут замедляться в среде. Они либо поглощаются, либо рассеиваются.

Интенсивность пучка -квантов постепенно ослабевает за счет его столкновения с электронами. Закон изменения этой интенсивности имеет следующий вид. Пусть I интенсивность пучка -квантов в среде толщиной х, тогда изменение интенсивности dI при прохождении пучка через вещество толщиной dx составит или где µ коэффициент поглощения.

. Тогда ln I 0 = 1, 0 = e. Это величина, обратная такой толI щине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность убывает в е раз. Коэффициент поглощения µ зависит от свойств среды и энергии -квантов (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость коэффициента поглощения от энергии -фотона третьем – с ядрами.

с электронами происходит при низких энергиях -фотонов.

Если энергия - квантов сравнима с энергией связи электрона с ядром ( K -оболочки), то наблюдается фотоэффект ( E ~ до 100кэВ).

Энергия -кванта в этом процессе определяется формулой где Ee максимальная кинетическая энергия вырываемого фотоном электрона; A работа выхода электрона из вещества.

С увеличением энергии -фотонов преобладает комптонэффект ( E ~ до 2me c 2 ). При очень больших энергиях -квантов ( Eф me c 2 энергия покоя электрона) в кулоновском поле ядра возникают электронно-позитронные пары:

Полный коэффициент поглощения где µ f коэффициент поглощения за счет фотоэффекта; µ c за счет комптон-эффекта; µ п за счет образования электроннопозитронных пар.

В оптике известно явление, называемое резонансным поглощением. Оно заключается в следующем. Атомы поглощают с большой вероятностью свет такой частоты, которая соответствует разности энергий между нормальным и возбужденным уровнями.

Поглотив свет этой частоты, атом переходит в возбужденное состояние и через промежуток времени ~10-7–10-8c вновь испускает фотон той же частоты. Практически этот эффект наблюдается в том случае, когда излучающими и поглощающими являются атомы одного и того же вещества.

линии =5890,6, то атомы Na будут интенсивно поглощать этот свет, затем будут излучать свет той же Ширина линии излучения атома (рис. 10) Рис. 10. ширина линии излучения атома определяется формулой Ядра атома также имеют дискретные энергетические уровни, нормальный и возбужденный, и переходы между ними ведут к возникновению излучения или поглощения в виде -лучей (рис.

11). Однако попытки осуществить с -лучами резонансное поглощение долгое время приводили к отрицательному результату.

Причина заключается в следующем.

Если фотон подобно материальной частице обладает импульсом p0, то в процессе излучения атомом или ядром фотон должен Рис.11. Cпектры испускания энергий возбужденного En Частота испущенного фотона исп меньше частоты, соответствующей переходу En E1 ( 0 исп ).

Для возбуждения ядра или атома фотону нужно затратить энергию, большую, чем h 0, на величину R. Поэтому энергия, необходимая для поглощения света атомом или ядром, равна Таким образом, частоты линий испускания и поглощения смещены относительно друг друга на величину Если импульс фотона в момент испускания равен р ф = 0, то по закону сохранения импульса (рассматриваем упругое рассеяние).

Тогда кинетическая энергия атома или ядра с учетом (10) где М – масса атома или ядра; с = 3 · 1010 с – скорость свет в вакууме.

Подсчитаем R в случае атома.

Пусть 0 = 5 105 см = 5000, М = 100 а.е.м., 1 а.е.м. 1,7 · 10-24г, Тогда энергия отдачи атома а ширина линии испускания Итак, по сравнению с шириной Гат, энергия отдачи R атома в 104 раз меньше, т.е. RГат. Поэтому для атома наблюдается резонансное поглощение (рис. 11).

В случае ядра энергия -фотона составляет Тогда энергия отдачи ядра Ширина линии излучения для ядер где 1012 c время жизни ядер.

Итак, в случае ядра энергия отдачи составляет 0,05 эВ, а ширина Г = 103 эВ.

Поэтому линии испускания и поглощения смещены на расстояние (рис. 12) и потому не наблюдается резонансного поглощения для ядер. Однако эти линии частично перекрываются между собой (на рис. 12 – заштрихованная область E0).

Рис.12. Взаимное располож линий Рис.13. Наблюдение резонансного Так как в реальных условиях ширина линии определяется суммой ширины естественной линии Гя = 10-3эВ и ширины линии, обусловленной эффектом Доплера D 0,1 эВ (DГя), то ширина линии излучения или поглощения в основном определяется шириной D (рис. 12).

В 1958 г. Мёссбауэр исследовал ядерное резонансное поглощение -лучей ядром иридия Ir191. Энергия соответствующего перехода равна а энергия отдачи R = 0,05эВ. Ширина линии ~0,1эВ. Таким образом, линии испускания и поглощения отчасти перекрываются и частично наблюдается резонансное поглощение. Чтобы уменьшить поглощение, Мёссбауэр решил охладить источник и поглотитель. Однако вместо ожидаемого уменьшения обнаружил усиление резонансного поглощения.

Схема опыта такова (рис.13). Источник и поглотитель помещались внутри вертикальной трубы, охлаждаемой жидким гелием. Источник был прикреплен к концу длинного штока, совершающего возвратно-поступательное движение. Мёссбауэр наблюдал исчезновение резонансного поглощения при линейных скоростях источника более 2 см. Полученный результат в виде графика представлен на рис. 14. Результаты опыта указывали на то, что у охлажденного Ir191 линии испускания и поглощения -лучей совпадают и имеют малую ширину, равную естественной ширине. Это явление получило название эффекта Мессбауэра, который был открыт также на ядре Fe57 и ряда других веществ.

Поясним эффект Мёссбауэра. До сих пор мы рассматривали возбужденное ядро как свободное. На самом деле оно входит в состав кристаллической решетки. Если исследуемое ядро связано с решеткой достаточно жестко, то при излучении оно не испытывает отдачи, так как масса решетки с жестко связанным ядром очень велика по сравнению с массой свободного ядра (МpМя).

Практически можно считать, что масса решетки M p. Используя формулу (11), можно рассчитать энергию отдачи решетки с ядром:

лучении -кванта ядро, жестко связанное с кристаллической решеткой, не испытывает отдачи. Линии поглощения и излучения при этих условиях почти совпадают (рис. 15).

Рис.15. Cпектры испускания и поглощения Эффект Мёссбауэра используется для нахождения времени жизни возбужденных состояний ядер; для определения спина ядра и магнитного момента; для изучения динамики кристаллической решетки и исследования внутренних электрических и магнитных полей в кристаллах.

1. Что называется радиоактивностью? Какие типы радиоактивности существуют?

2. Выведите формулу закона радиоактивного распада.

3. Что называется периодом полураспада, постоянного распада?

4. Дайте понятие активности и единицы измерения активности.

6. Опишите -распад и энергетический спектр -распада.

7. Чем обусловлено -излучение? Опишите прохождение -лучей через вещество.

8. Опишите эффект Мёссбауэра.

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО

ИЗЛУЧЕНИЯ (ИИ) С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующее излучение (ИИ) представляет собой поток частиц или электромагнитных квантов, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул. ИИ являются потоки электронов, позитронов, протонов, дейтонов, -частиц и других заряженных частиц, а также потоки нейтронов, рентгеновского и -излучения. Понятие ИИ не включает в себя видимый свет и УФ-излучение.

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, и электромагнитное излучение (рентгеновское и -излучение). Эти виды излучения различаются количеством высвобождаемой энергии и обладают соответственно разной проникающей способностью, оказывая различное влияние на ткани организмов. Характеристиками ИИ являются: тип частиц; их энергия; направление распространения; интенсивность; энергетическое, пространственное и временное распределение.

В зависимости от состава излучения различают однородное и смешанное ИИ. Излучение, состоящие из частиц одного вида, является однородным, из двух и более видов – смешанным.

Моноэнергетическое ИИ создается частицами с одинаковой энергией. Если энергия частиц различна, излучение является немоноэнергетическим. Примерами последнего являются -излучение и тормозное излучение. Примером моноэнергетического излучения может служить вылет -частицы определенной энергии при распаде радионуклидов.

По характеру распространения в пространстве выделяют направленное и ненаправленное излучения. Если в рассматриваемую точку пространства излучение приходит только по одному направлению, то такое излучение является направленным. Излучение, приходящее в рассматриваемую точку по нескольким направлениям, называется ненаправленным. Вид ненаправленного излучения, не имеющего преимущественного направления распространения, принято называть изотропным. К направленному излучению относится, например, излучение точечного источника или пучка частиц из ускорителя, а к ненаправленному – рассеянное излучение.

При прохождении ИИ через вещество принято выделять две его составляющие: первичное и вторичное излучения.

Первичным ИИ называется излучение, состоящее из частиц, которые получены на ускорителе или из источников радиоактивного излучения.

Вторичным ИИ называются виды излучения, образующиеся при взаимодействии первичного излучения с веществом.

Для вторичного излучения характерны следующие особенности:

- его интенсивность пропорциональна интенсивности первичного излучения;

- энергетическое и пространственное распределение частиц вторичного излучения не зависит от аналогичных характеристик первичного излучения.

Примером вторичного излучения является тормозное излучение, образующееся при облучении мишени протонами.

Ионизирующее излучение вызывает в организме сложные физико-химические изменения и взаимодействия, модификацию важных молекул. Реакция на них может произойти немедленно или через десятилетия после облучения (гибель клеток, генетические аномалии, рак и т.д.). Степень опасности радиационного воздействия зависит от типа излучения, величины энергии излучения, периода полураспада и от того, какая часть энергии излучения передастся тканям организма.

3.1. Прохождение ядерных заряженных частиц через вещество Различные виды радиации по-разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы возбуждают и ионизируют атомы вещества. Нейтроны и -кванты, сталкиваясь с электронами и ядром атомов в веществе, передают им свою энергию и ионизируют их. В случае -квантов возможно также рождение электрон-позитронных пар.

Вторичные заряженные частицы: электроны, протоны, -частицы, возникающие при взаимодействии с атомами вещества, тормозясь в веществе, вызывают вторичную ионизацию атомов. Воздействие излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с бльшим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию вторичных заряженных частиц большого количества атомов вещества и приводит к его разогреву и ионизации. Процесс потери частицей энергии в результате ионизации атомом вещества называют ионизационным торможением.

Тяжелые заряженные частицы: протоны и альфа-частицы – взаимодействуют с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана тяжелой частицей, движущейся со скоростью vc, неподвижному электрону в одном акте взаимодействия, равна Emax =. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию.

Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных ионизационных потерь (– )ион = Sион, МэВ/см, которые представляют собой отношение энергии dE заряженной частицы, теряемой на ионизацию атомов вещества при прохождении отрезка dx, к длине этого отрезка. Удельные ионизационные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в веществе (рис. 16).

Этот эффект (пик Брэгга) используется в терапии рака, где очень важно обеспечить максимальное выделение энергии в глубоко расположенной опухоли, причиняя при этом минимальный вред окружающей здоровой ткани.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом велиdE чина (– )ион = Sион является функцией только кинетической энергии, то есть ( ) = ).

Рис. 16. Зависимость тормозной способности биологической ткани для протонов с начальной энергией 400 МэВ от глубины проникновения протонов в слой вещества. Численные значения над кривой – энергия протона (в МэВ) на различной глубине проникновения.

Проинтегрировав от 0 до Emax, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь R, который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

Удельные ионизационные потери энергии E для тяжелых заM ряженных частиц при условии E Мс 2 (M – масса частиц, me – масса электрона) определяются приближенной формулой где = – относительная скорость частицы; Z – зарядовое число;

А – массовое число; – плотность вещества; z – заряд частицы в относительных единицах.

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами, поэтому они мало отклоняются от первоначального движения, так как их масса значительно больше, чем масса электрона. Пробег R тяжелой частицы в веществе измеряется расстоянием по прямой от источника частиц до места их остановки. Обычно R тяжелых частиц измеряют в м, см, мм, мкм.

Средний пробег моноэнергетической -частицы c кинетической энергией Е можно рассчитать эмпирически:

в воздухе при нормальных условиях: если 4 E 9МэВ, то R = 0,318 E, и если 9 E 200 МэВ, то R = 0,148 E ;

в веществе с массовым числом А и плотностью :

где Rв – пробег -частицы той же энергии в воздухе, см.

Пробег протонов в воздухе Rр, см, при нормальных условиях составляет где R(4Ер) – пробег -частицы с энергией Е = 4Ер в воздухе.

Для воды эмпирическое соотношение между энергией частицы Е и ее пробегом в веществе R приближенно записывается в виде R = aE p. Значения коэффициентов и р приведены в табл. 2.

Отношение линейных пробегов двух типов частиц с зарядами z1e и z2e, начинающих движение в воздухе с одинаковыми скоростями, определяется как где E1 = E2 ; m1, m2, E1, E2 массы и энергии частиц.

В экспериментальной ядерной физике часто вместо линейного пробега используют массовый пробег Rm, г/см2, численно равный массе вещества, заключенной в цилиндре, высота которого равна линейному пробегу частицы R, а площадь поперечного сечения составляет 1 см2, т.е.

Rm = R, где – плотность вещества, г/см3.

Массовый пробег Rm для заряженной частицы не зависит от состава вещества, так как для многих веществ изменяется очень мало (табл. 3 и 4).

Пример.

Допустим, нужно определить линейный пробег альфа-частицы с энергией E = 5МэВ в бериллии (А = 4), плотность которого = 1,8 г/см3; плотность воздуха возд = 1,29 103 г/см3. Для этого найдем линейный пробег -частицы в воздухе:= 0,318 51,5 = 3,51 см. Тогда массовый пробег -частицы в воздухе Rm = возд R = равен R 3, Энергия, Пробег частицы в воздухе, биологической ткани, Аl Энергия частиц, МэВ Биологические ткани, мкм 3.2. Прохождение электронов (e-) и позитронов (e+) в веществе Прохождение электронов и позитронов через вещество отличается от прохождения тяжелых заряженных частиц. Главная причина – малые массы покоя. Это приводит к относительно большому изменению их импульса и энергии при каждом столкновении с атомами вещества, что вызывает заметное изменение направления их движения от первоначальной прямолинейной траектории. Для электронов и позитронов характерны следующие механизмы потерь энергии:

ионизационные (ионизационное торможение);

радиационные (радиационное торможение);

испускание фотонов при кулоновском взаимодействии электронов с атомными электронами и ядрами или магнитным полем;

электроядерные реакции.

Полные потери энергии электронами в веществе составляют Ионизационные потери:

при Ее50кэВ при Ееmec где А и Z – массовое и зарядовое числа; – плотность вещества;

I – потенциал ионизации; Ee – кинетическая энергия электрона;

V – скорость электрона; n – концентрация атомов вещества.

Радиационные потери энергии электронами происходят тогда, когда электроны в веществе движутся с ускорением. Причиной, приводящей электроны к ускоренному движению, следующие:

частицы тормозятся, двигаясь по прямой траектории;

частицы движутся по криволинейной траектории (например, в магнитном поле);

частицы движутся в оптически плотной среде со скоростью, превышающей фазовую.

Перечисленные причины ускоренного движения электронов приводят к появлению тормозного, синхротронного и черенковского излучений, которые вызывают радиационные потери энергии электронами.

При разных энергиях гамма-квантов соотношение между двумя механизмами торможения электронов, ионизационным и радиационным, меняется.

Область энергии условно делят на две: когда ионизационные потери ниже радиационных и наоборот. На границе между ними вводят понятие критической энергии. Критической энергией E, МэВ, называется энергия, при которой ионизационные и радиационные потери равны (табл. 5).

Для твердых веществ Соотношение между радиационными и ионизационными потерями энергии электронов имеет вид где Е – энергия электрона, МэВ; Z –зарядовое число.

Характеристиками ионизационного торможения являются радиационная длина (L) и радиационная толщина (L0).

Радиационной длиной L, см, называется расстояние, на котором энергия электрона в результате потерь на излучение уменьшается в е раз (см. табл. 5). Для ее определения используется формула где re = 2,82 · 10-13cм – классический радиус электрона; = 1/137 – постоянная тонкой структуры; Z – зарядовое число; n = – концентрация вещества; – плотность вещества; N0 = 6,02 · 1023 – число Авогадро; А – атомный вес.

Радиационная толщина вычисляется по формуле Критическая энергия и радиационная длина Lr для различных веществ Вещество Критическая энергия Eкр, МэВ Радиационная длина Lr, см Из-за малой массы электроны, при столкновении с атомными электронами и ядрами, значительно отклоняются от первоначальной траектории движения и движутся по извилистой траектории.

Поэтому для электронов вводится понятие «эффективный пробег», который определяется минимальной толщиной вещества, измеряемой в направлении исходящей скорости пучка и соответствующей полному поглощению электронов.

Тогда пробег R, см, находят по формуле где – плотность вещества.

При энергиях Ее электронов выше критической, то есть Ее Екр, радиационные потери преобладают над ионизационными, то есть dx рад dx ион радиационные потери в Fe и Pb превышают ионизационные соответственно в 3 и 10 раз. В области Е, в которой радиационные потери преобладают над ионизационными, Ее убывает по экспоненте по закону где Е – энергия электрона после прохождения длины вещества x;

L – радиационная длина (потери); Е0 – начальная энергия.

Радиационные потери можно найти по формуле Пробег электронов в веществе. Средним пробегом электронов в веществе называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все электроны. Известны эмпирические формулы для оценки пробега электронов в алюминии:

= 0,562 Ee 0,094 г/см 2, для Ее0,6МэВ;

= 0,542 Ee 0,133 г/см 2, для 0,8МэВ Ее3МэВ;

= 0, 246 Ee 0,106 г/см 2, для 10МэВ Ее23МэВ.

Эффективный пробег электронов в веществе с Z и A (табл. 6) связан с эффективным пробегом в Al соотношением Эффективные пробеги электронов в зависимости от Ee, см Вещество Прохождение позитронов в веществе описывается теми же соотношениями, что и для электронов. Дополнительно надо учесть эффекты аннигиляции электронов и позитронов, т.е. столкновение позитронов с электронами вещества (e + e+ = ).

3.3. Прохождение нейтронов через вещество Взаимодействие нейтронов с веществом происходит в основном благодаря их взаимодействию с атомными ядрами в результате следующих механизмов:

упругого рассеяния;

неупругого рассеяния;

ядерных реакций;

деления ядер.

Из-за отсутствия заряда электромагнитное взаимодействие нейтрона с атомными электронами практически равно нулю. Поэтому при прохождении через вещество нейтроны в основном испытывают столкновения с его атомными ядрами. В ядерной физике вероятность взаимодействия определяется эффективным сечением [1барн = 10–24см2], которое зависит от энергии нейтронов:

чем больше энергия, тем меньше сечение.

Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атомов малы по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомами. Поэтому при прохождении нейтронов через вещество могут проявиться два вида их взаимодействия с ядрами вещества. Во-первых, в результате соударения нейтронов с ядрами возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов, а вовторых, возникновение ядерных реакций типа ( n, ), ( n, ), и деление тяжелых ядер. В зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды их взаимодействия с веществом. Поэтому по уровню энергии нейтроны делятся на группы:

• холодные с энергией 0,025 эВ (Е0,025);

• тепловые – 0,025 E 0,05 эВ ;

сверхбыстрые – Е 100 МэВ.

Нейтроны первых трех групп называются медленными.

Для холодных и тепловых нейтронов наблюдается реакция захвата нейтронов ядрами поглощающего вещества, которая называется радиационным захватом ( n, ), то есть:

Для промежуточных нейтронов процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.

Для быстрых нейтронов характерны упругое и неупругое рассеяния и ядерные реакции.

Если поглощающееся вещество состоит из легких ядер, например из дейтерия (Д), трития (Т), лития (Li), бериллия (Be), углерода (C), азота (N), то нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Поэтому после прохождения вещества из-за поглощения и рассеяния нейтронов ядрами вещества поток нейтронов уменьшается по закону где I 0, I – плотность потока до и после прохождения слоя вещества х; N – число ядер в единичном объеме вещества; N – полное сечение взаимодействия нейтронов с веществом. = N – называется линейным коэффициентом ослабления потока нейтронов в веществе, см-1.

Величина = называется длиной свободного пробега нейтронов в веществе, a – средняя длина пробега – это расстояние, при прохождении которого плотность потока нейтронов из-за поглощения уменьшается в e раз. Плотность потока нейтронов N(R) на расстоянии R от источника, испускающего N0 нейтронов в единицу времени, определяется соотношением Быстрые нейтроны наиболее эффективно замедляются веществами с легкими ядрами. К ним относятся водородосодержащие вещества: вода, парафин, бетон, пластмассы и другие.

Для эффективного поглощения тепловых нейтронов используются материалы, обладающие большим сечением захвата (это материалы с бором, кадмием): борная соль, борный графит, сплав Cd со свинцом и другие (табл. 7).

В лабораторных условиях для защиты от быстрых нейтронов используют комбинированную защиту (из парафина, воды, Cd, B и свинца).

Длина свободного пробега быстрых нейтронов в веществах Материал 3.4. Взаимодействие -излучения с веществом Рентгеновское и -излучение относятся к электромагнитному излучению. Их свойства зависят от частоты. Они не различаются между собой, если их частоты совпадают. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать особенности взаимодействия -квантов с веществом.

Гамма-лучи обладают сильнопроникающим излучением. Проходя через вещество, -кванты взаимодействуют с электронами и ядрами атома, в результате чего их интенсивность уменьшается.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Т.М. ТКАЧЕВА ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В АВТОТРАНСПОРТНОМ КОМПЛЕКСЕ Учебное пособие Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ(ГТУ) МОСКВА 2007 УДК 53.043:621.382 ББК 22.3 + 32.852 Ткачева Т.М. Основы полупроводниковой техники и ее применение в автотранспортном комплексе: Учебное пособие, МАДИ(ГТУ). - М., 2007. - с. Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. кафедры...»

«Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики Яворский В.А., Григал П.П. Основы количественной биологии Методические указания к семинарам Москва 2009 Введение О курсе Биология – наука количественная. Любой ее раздел, будь то генетика, теория эволюции или ботаника, для описания предмета привлекает разные математические модели и методы. Особое значение это имеет в молекулярной и клеточной биологии, где в силу малых размеров...»

«ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЕТЕВАЯ КОМПАНИЯ ЕДИНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ СТО 56947007ОАО ФСК ЕЭС МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по обеспечению электромагнитной совместимости на объектах электросетевого хозяйства Стандарт организации Дата введения: 21.04.2010 ОАО ФСК ЕЭС 2010 Предисловие Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ О техническом регулировании, объекты стандартизации и общие...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина О.Е. Богородская ИСТОРИЯ РОССИИ с древнейших времен до 1917 года Учебно-методическое пособие для иностранных студентов, обучающихся в ИГЭУ Иваново 2012 УДК 94 Б 74 Богородская О.Е. История России с древнейших времен до 1917 года: Учеб.-метод. пособие для иностранных...»

«Министерство образования Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова М. Н. Преображенский, Н. А. Рудь, А. Н. Сергеев АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Учебное пособие Ярославль, 2001 г. 6. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ Вариант 1 Задача 1. Определить энергию фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй. Задача 2. Найти: 1) радиусы первых трех боровских электронных орбит в атоме водорода; 2) скорость...»

«С. М. АПОЛЛОНСКИЙ, Ю. В. КУКЛЕВ НАДЕЖНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ РЕКОМЕНДОВАНО Учебно методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 140400 — Техническая физика и 220100 — Системный анализ и управление САНКТ ПЕТЕРБУРГ•МОСКВА• КРАСНОДАР• 2011 ББК 31.264я73 А 76 Аполлонский С. М., Куклев Ю. В. А 76 Надежность и эффективность электрических...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Безопасность жизнедеятельности МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению контрольной работы по дисциплине Безопасность жизнедеятельности (раздел Охрана труда) для студентов специальностей: 290300 Промышленное и гражданское строительство, 270112 Водоснабжение и водоотведение, 140104 Промышленная теплоэнергетика, форма обучения – заочная Тюмень-2006 Баранцев П.Г., Монахова З.Н., Медведев А.В....»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова А.А. Елепов РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МИРОВОЙ АВТОМОБИЛИЗАЦИИ Учебное пособие Архангельск ИПЦ САФУ 2012 УДК 629.33 ББК 39.33я7 Е50 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУВПО Амурский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой энергетики _ Н.В.Савина 2007 г. Г.В. Судаков, Т.Ю. Ильченко, Н.С. Бодруг УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ Учебное пособие Благовещенск, 2007 Печатается по разрешению редакционно-издательского совета энергетического факультета Амурского государственного университета Г.В. Судаков, Т.Ю. Ильченко, Н.С. Бодруг...»

«Министерство науки и образования Российской Федерации Уральский государственный университет им.А.М.Горького А.Н.Петров, ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ХИМИЯ ДЕФЕКТОВ. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. Учебное пособие Екатеринбург 2008 ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ИДЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ.7 1.1. Классификация твердых тел [1-5]. 1.1.1. Энергетическое обоснование различных агрегатных состояний вещества.7 1.1.2. Классификация твердых тел по структурному состоянию. 1.1.3....»

«1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ КАФЕДРА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ ЭНЕРГИЯ И ЭНЕРГОРЕСУРСЫ В ГЛОБАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ ББК 65.304. Э...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.