Физика ядра

Атомные ядра. В начале ХХ века после открытия струк- туры атома для физиков представляла интерес проблема: об- ладает ли атомное ядро структурой, и какой эта структура могла бы быть? Экспериментальные исследования показали, что ядро обладает свойством испускать α -, β - и γ -лучи42.

К тому же под действием этих лучей на ядра из них вылетали и другие частицы, т.е. происходили ядерные реакции. Позд- нее был открыт нейтрон, который, как и протон, находится внутри ядра в виде частицы. Между ними существует силь- ное взаимодействие, которое примерно на два порядка ин- тенсивнее электромагнитного.

В отличие от электромагнитного взаимодействия силь- ные взаимодействия не являются центральными, а имеют сложный характер. Их взаимодействие можно интерпретиро- вать как притяжение двух частиц не по прямой линии, со- единяющей центры этих частиц. К тому же они зависят и от квантовых характеристик ядер.

Оказалось, что ядро устроено довольно сложно, и в его структуре остается много неясного по настоящее время. Тем не менее в начале 1930-х гг. была предложена модель атом- ного ядра, которая по-прежнему остается общепризнанной.

Согласно этой модели, атомное ядро состоит из двух элемен- тарных частиц – протонов и нейтронов 43.

42 Исторически развитию ядерной физики предшествовало боль- шое количество исследований в области физики атома. До откры- тия ядра исследования вещества привело к открытию проникаю- щих излучений: Ю. Плюккером в 1859 г. были открыты катодные лучи, В. Рентгеном в 1895 г. – рентгеновские лучи, в 1896 г. А. Беккерель открыл радиоактивность, а в 1897 г. Д.Д. Томсоном был открыт электрон.

43 Протон-нейтронная модель атомного ядра предложена в 1932 г. советским физиком, профессором физического факультета МГУ

Протон представляет собой ядро простейшего атома –

водорода. Он имеет положительный заряд

е + = +1.6 · 10–19Кл

и массу

mp = (1.672623 ± 0.000008) · 10–27кг = 1.007276470 а.е.м. (4.3.1)

Нейтрон, существование которого было установлено Джеймсом Чедвиком в 1932 г., электрически нейтрален, на что и указывает его название. Масса нейтрона оказалась не- сколько больше массы протона:

mp = (1.674929 ± 0.000009) · 10–27кг = 1.008664904 а.е.м. (4.3.2)

В свободном состоянии (т.е. вне ядра) нейтрон живет около

10 мин, а затем распадается. Внутри ядра нейтрон стабилен. Каждое ядро атома характеризуется двумя числами: за-

рядом Z и массовым числом А. Заряд ядра Z равен числу про- тонов в ядре и совпадает с порядковым номером химическо- го элемента в периодической системе. Массовое число A равно числу нуклонов в ядре, т.е. сумме числа протонов и нейтронов. N = A–Z – число нейтронов, находящихся в ядре.

Z

Обычно атомное ядро обозначают символом A X, где Х –

символ химического элемента, А – массовое число, Z – атом- ный номер.

Энергия связи ядра. Известно, что для испарения одной молекулы необходима энергия порядка 0.1 эВ, а для разделе- ния молекулы водорода на атомы – 4.5 эВ. Для ионизации атома водорода потребуется энергия 13.6 эВ.

Рис. 4.10. К объяснению энергии связи нуклонов в ядре

Д.Д. Иваненко. Несколько позже такую же работу опубликовал В. Гейзенберг.

Чтобы отделить нуклон от ядра, необходимо затратить существенно бóльшие энергии. Так, например, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Если мыс- ленно на одну чашу весов положить ядро гелия, а на другую

– два протона и два нейтрона, мы увидим, что четыре от- дельных нуклона весят больше, чем само ядро гелия (рис. 4.10). Таким образом, общая масса легких ядер всегда меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтро- нов. Это привело к предположению, что часть массы притя- гивающихся друг к другу нуклонов выделяется в виде энер- гии фотонов или других частиц.

Для ядер урана все наоборот. Исходное ядро оказывается тяжелее, чем два осколка. Поэтому оно по закону сохранения энергии может распадаться на другие частицы самопроиз- вольно. Тяжелые ядра обычно делятся на два осколка. По- этому в легких ядрах энергия выделяется при их слиянии, а в тяжелых – при их делении. Разность масс (или энергий) меж- ду ядром и составляющим его нуклонами называют полной энергией связи ядра.

Без существования сил притяжения, более интенсивных, чем электромагнитное взаимодействие, протоны самопроиз- вольно не могли бы образовать ядро, так как между ними существует отталкивание. Стабильные ядра существуют бла- годаря действию сил более интенсивных, чем кулоновские. Эти силы получили название сильного или ядерного взаи- модействия. Сильное (ядерное) взаимодействие – это притя- жение, действующее между всеми нуклонами в равной сте-

пени. Радиус его действия составляет

10-13 см. Интенсив-

ность сильных взаимодействий внутри ядра постоянна и бы- стро спадает на его границе.

Протоны, благодаря ядерным силам, притягивают друг друга и в то же время, благодаря кулоновскому взаимодейст- вию, отталкивают друг друга. Нейтроны же не имеют элек- трического заряда и поэтому лишь притягивают другие ней- троны или протоны.

Радиоактивность. В 1896 году А. Беккерель44открыл, что соли урана испускают невидимые лучи. Резерфорд уста- новил, что эти лучи состоят как минимум из двух компонент, имеющих разную проникающую способность, а французский физик П. Вилар в 1900 г. установил, что существует и третья компонента, наиболее глубоко проникающая в вещество. Та- ким образом, оказалось, что радиоактивные вещества испус- кают три типа лучей, которые Резерфорд назвал α -, β - и γ - лучами.

Хорошо известная иллюстрация (рис. 4.11) появилась впервые в 1903 г. в докторской диссертации Марии Кюри45. Излучение одного вида едва проникало сквозь лист бумаги. Излучение второго вида проходило сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм. Излучение третьего вида было

особенно проникающим: оно проходило сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров и могло быть обнаруже- но с помощью детектора. Оказалось, что это излучение пред- ставляет собой фотоны высокой энергии. В магнитном поле эти лучи также вели себя по-разному: α - и β -лучи отклоня- лись в противоположные стороны, а γ -лучи в магнитном поле совсем не отклонялись.

Беккерель в 1900 году установил, что β -лучи состоят из таких же частиц – электронов, которые открыл Томсон. В 1903 г. Резерфордом было показано, что α -лучи – это ядра атомов гелия. При этом ядра, из которых вылетают α - и β -

44 Антуан Анри Беккерель (1852–1908) – французский физик, из семьи физиков. За открытие явления естественной радиоактивно- сти урана в 1903 г. был удостоен Нобелевской премии. Беккерель в 1901 г. обнаружил физиологическое действие радиоактивного излучения, а также его способность ионизировать газ.

45 Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) – известный физик и

химик польского происхождения. Дважды лауреат Нобелевской премии: по физике (1903) и химии (1911). Основала институты Кюри в Париже и в Варшаве. Вместе с мужем, Пьером Кюри за- нималась исследованием радиоактивности. Совместно они откры- ли элементы радий (от лат. radium – излучающий) и полоний. Умерла от лучевой болезни.

частицы, превращаются в другие химические элементы. Поэтому стало ясно, что лучи вылетают не из атома, а из яд- ра. Таким образом, ядро, как и атом, представляет собой сложную структуру. В природе встречается много неста- бильных изотопов. Их радиоактивность называется естест- венной радиоактивностью. Другие нестабильные изотопы могут быть созданы в лабораторных условиях как продукты ядерных реакций. Такие изотопы называются искусственны- ми, а их радиоактивность – искусственной радиоактивно- стью.

При g-распаде ядер не происходит превращения одного химического элемента в другой (в этом случае ядро может из возбужденного состояния переходить в основное состояние ядра). Такие ядра получили название радиоактивных ядер, которые обладают свойством радиоактивности.

Рис. 4.11. Поведение α -, β -, γ -лучей в магнитном поле

Альфа-распад – это самопроизвольное превращение ис-

Æ Æ–4

ходного ядра ZX в ядро Z–2X c испусканием α -частицы, т.е. массовое число уменьшается на 4, а атомный номер – на 2. Альфа-распад ядер обусловлен тем, что сильное взаимодей- ствие не в состоянии обеспечить стабильность тяжелых ядер. Это характерно для ядер с зарядом Z > 83 и отдельных ядер при Z < 83. Сильные взаимодействия вследствие их коротко- действия связывают только соседние нуклоны, в то время как кулоновское отталкивание действует в объеме всего ядра.

Нестабильность ядра характеризуется небольшой вели- чиной энергией связи радиоактивного ядра. Распад ядер про- исходит, когда масса материнского ядра оказывается больше суммарной массы дочернего ядра и a -частицы. Для всех ви-

дов распадов этот факт, основанный на законе сохранения энергии, является основным условием радиоактивного рас- пада. Разность масс выделяется в виде кинетической энер- гии, которую в основном уносит с собой a -частица. Приме-

ром α -распада служит распад ядра 226

Ra:

88Ra →

86Rn +

2He. (4.3.3)

Бета-распад ядер обусловлен испусканием либо элек- тронов, либо позитронов. При β– -распаде электроны возни- кают в результате превращения нейтрона в протон внутри ядра, при β+ -распаде происходит испускание позитрона ядром. Необходимо подчеркнуть, что испускаемый при β - аспаде электрон не имеет отношения к орбитальным элек- тронам, поскольку он вылетает не с орбиты атома, а из ядра. Он, как и позитрон, рождается внутри ядра. Это происходит в процессе, когда один из нейтронов ядра превращается в

протон и при этом (для сохранения заряда) испускает элек- трон:

n → p + e–+ ν. (4.3.4)

Аналогично, внутри ядра протон превращается в нейтрон, испуская позитрон:

p ® n + e + + n ˜. (4.3.5) При β -распаде появляется новая частица, получившая назва- ние нейтрино ν (в переводе с итальянского – «нейтрончик»). Она была открыта из анализа законов сохранения энергии и импульса. Оказалось, что эта частица очень слабо взаимо- действует с веществом. Она проходит сквозь Землю и при этом может ни разу не провзаимодействовать с ней. Частица была предсказана В. Паули в 1930 г., а открыта эксперимен- тально в 1957 г.

Позднее оказалось, что существует и ее античастица – антинейтрино v˜. β- электроны могут иметь различные скоро- сти в широком интервале.

Гамма-распад. Гамма-излучение представляет собой фо- тоны высокой энергии от сотен кэВ и выше. Распад ядра с испусканием γ -излучения во многом напоминает испускание фотонов возбужденными атомами. Так же как атом, ядро может находиться в возбужденном состоянии. При переходе

в состояние с более низкой энергией ядро испускает фотон, энергия которого варьируется от нескольких кэВ до несколь- ких МэВ.

Так как g -излучение не несет заряда, при g -распаде не происходит превращения одного химического элемента в другой.

Иногда ядро в течение некоторого промежутка времени остается в возбужденном состоянии, прежде чем испускает γ - квант. Такое состояние ядра называют метастабильным, а само ядро – изомером. Возбужденное ядро может также рас- падаться с испусканием протонов, нейтронов, α -частиц.

Закон радиоактивного распада ядер. Кусок любого ра- диоактивного изотопа содержит огромное количество радио- активных ядер. На протяжении некоторого времени часть ядер распадается. Время распада разных изотопов изменяет- ся в очень широких пределах от микросекунд до тысячеле- тий. Известно более 3000 видов радиоактивных ядер. Из экс- периментальных исследований процесса распада стало ясно, что существует закон, по которому происходит изменение числа ядер в образце. Закон радиоактивного распада ядер в образце определяется на основе предположения, что число распадов ∆N, происходящих за очень короткий промежуток времени ∆t, пропорционально полному числу радиоактивных нераспавшихся ядер N (t) и рассматриваемому промежутку времени ∆t:

Δ N = – λN Δ t. (4.3.6)

Коэффициент пропорциональности λ называется постоянной распада (она различна для разных изотопов). Знак «минус» указывает на то, что со временем число нераспавшихся ядер будет уменьшаться.

В начальный момент времени t = 0 число ядер было рав- но N 0. Соотношение (4.3.6) называется законом радиоактив- ного распада ядер. Оно показывает, что число радиоактив- ных ядер, в рассматриваемом радиоактивном образце экспо- ненциально убывает со временем (рис. 4.12).

Для определения скорости распада радиоактивных ядер используют понятие периода полураспада. Периодом полу- распада T1/2 изотопа называется промежуток времени, за ко-

торый распадается половина исходного количества радиоак- тивных ядер изотопа в данном образце. Формула для вычис- ления периода полураспада выглядит следующим образом:

Период полураспада

4.5 млрд лет.

радия составляет ~1600 лет,

(4.3.7)

урана –

Рис. 4.12. График закона радиоактивного распада

для изотопа углерода, его период полураспада ~ 5730 лет

Важной характеристикой радиоактивного источника яв- ляется его активность. Активность радиоактивного вещества

показывает, сколько

в нем происходит распадов в

единицу

времени. Отношение

количества имеющихся в момент вре-

мени t радиоактивных ядер N к их периоду полураспада на- зывают активностью:

А = N

Т 1/ 2

Единицей активности в системе единиц СИ является бекке- рель (Бк), представляющий собой 1 распад за 1 с.

Закон

радиоактивного распада был

успешно применен

для радиоактивного

датирования. Этот

метод позволил по

останкам людей и животных определять их возраст. Суть ме-

тода заключается в том, что изотоп углерода 14 C

в живые

организмы попадает из окружающей природы при употреб-

лении пищи, воды и

воздуха.

Его концентрация в

воздухе,

где он образуется под действием космических лучей на атмо- сферный азот, а следовательно, в растениях и живых орга- низмах, потребляющих воздух, одинаковая. После смерти поступления радиоактивного углерода из воздуха в организм прекращается. Концентрация изотопа 14 C уменьшается экс-

поненциально вследствие его радиоактивного распада. Зная концентрацию ядер радиоактивного углерода в природе N 0и в образце N, а также период полураспада, используя урав- нение (4.3.6) можно определить, когда в организм перестал поступать изотоп углерода, т.е. количество лет, когда про- изошла смерть.

За метод радиоуглеродного датирования американский физик Ф. Лобби получил Нобелевскую премию в 1960 г. Фактически этот метод стал одном из наиболее надежных способов заглянуть в прошлое.