Изучение взаимодействия g-излучения

РАДИОНУКЛИДОВ С ВЕЩЕСТВОМ

 

Цель работы: измерение коэффициентов поглощения g-излучения тверды­ми телами. Определение энергии g-квантов и механизма взаимодействия излу­чения с веществом по коэффициентам поглощения.

 

Теоретические сведения

 

Строение атомного ядра

Существование атомных ядер впервые было экспериментально доказано в знаменитых опытах Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. В этих опытах удалось также установить размеры ядра. Оказалось, что диаметр ядра имеет по­рядок 10^-12-10^-13 м. На основании этих опытов возникла планетарная модель атома, которая была детально разработана Н.Бором. Теория Бора позволила объяснить многие наблюдаемые свойства атомов.

По современным представлениям ядро атома любого элемента состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Основные характеристики ста­бильных ядер - это зарядовое число Z, равное числу протонов, входящих в со­став ядра, и массовое число А, равное полному числу нуклонов и ядре. Число N нейтронов в ядре, очевидно, равно разности А - Z

Так как заряд протона представляет собой элементарный положительный заряд e=1,6 10^-19 Кл, то электрический заряд ядра равен Ze. В нейтральном ато­ме полное число электронов в электронной оболочке равно Z. Поэтому зарядо­вое число Z ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Менделеева и определяет все его химические свойства.

Наряду с термином "ядро атома" используется также термин нуклид. Нуклиды с одинаковыми зарядовыми числами Z, но различными числами нейтро­нов N, называются изотопами, так как соответствуют одному и тому же хими­ческому элементу, т.е. одному и тому же элементу в таблице Менделеева. Хи­мические элементы имеют по несколько изотопов и в природе встречаются в виде смесей определенного процентного состава. Нуклиды с одинаковыми мас­совыми числами А, но с различными Z и N, называются изобарами (т.е. одина­ково тяжелыми).

Массы протонов и нейтронов очень близки: масса протона m_n= l836,15m_e, масса нейтрона m_n=1836,68m_e, где m_e=0,91095 10^-30 кг – масса электрона. По­этому масса нуклида практически определяется общим числом А входящих и него нуклонов, а не значениями Z и N. За атомную единицу массы (а.е.м.) при­нимают 1/12 часть массы нуклида изотопа углерода ₆C, содержащего 12 нуклонов. Поэтому в атомных единицах масса любого нуклона почти не отличается от единицы. В этих единицах масса ядра приближенно равна массовому числу А.

Энергия связи

Неточное совпадение массы нуклида с его массовым числом обусловлено не только различием масс протонов и нейтронов, но и тем, что их массы не складываются аддитивно в массу образуемого ими нуклида М:

М <Zm_p +Nm_n.

Разность между суммой масс протонов и нейтронов Zm_p +Nm_n, и массой ядра М называется дефектом массы. Дефект массы определяет энергию связи ядра E_СВ, т.е. ту энергию, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

     E_св=(Zm_р + Nm_n - M)c²,                                      (6.1)

где с - скорость света в вакууме.

Соотношение (6.1) является следствием общей релятивистской формулы Е₀=m₀c², связывающей энергию покоя любого тела с его массой то. Очевид­но, что энергия связи характеризует взаимодействие между нуклонами в ядре.

 

Ядерные силы

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Эти силы представляют собой проявление самого интенсивного из известных в физике взаимодействий - так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы, действующие между двумя протонами в ядре, примерно на два порядка больше кулоновских электростатических сил, действующих между ними, и в 10³⁸ раз больше сил их гравитационного взаимодействия.

На основании опытных данных можно заключить, что нейтроны и протоны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя практически одинако­во: ядерные силы между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном неразличимы. Поэтому протоны и нейтроны в ядре рассматривают как два различных зарядовых состояния одной и той же частицы - нуклона. Не­зависимость ядерных сил от зарядового состояния нуклонов называется изото­пической инвариантностью.

Действие ядерных сил быстро спадает с расстоянием: на расстояниях больших 2×10^-11 см их действие не проявляется. Вплоть до расстояния порядка 0,7×10^-13 см они проявляются как силы притяжения, на меньших расстояниях -как силы отталкивания. Силы отталкивания настолько быстро растут с умень­шением расстояния, что нуклоны в ядре можно рассматривать как соприка­сающиеся частицы неизменных размеров.