Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Існують частинки, які можуть без будь-яких зовнішніх впливів-тей ділитися на кілька частин. Запишемо закон збереження енергії для мимовільного розпаду спочатку покоившейся частки. З цією метою скористаємося формулою
для енергії Е частинки маси m, яка має кінетичної енергією Т. Перший доданок в цій формулі називається енергією спокою частки. Нехай маса розпадається частинки дорівнює М, а маси s ча-стіц, які з неї утворюються, позначимо т1. т2. ТS. Відповідно до закону збереження енергії енергія спокою М з 2 вихідної частинки дорівнює сумі енергій частинок-продуктів її розпаду:
де Ti - кінетична енергія i -й частки. З цієї рівності випливає, що мимовільний розпад частки можливий тільки за умови, що її маса М більше суми мас продуктів розпаду:
Всі атомні ядра стійкі по відношенню до розпаду на нуклони, так як маса ядра завжди менше суми мас, що входять в нього нукло-нів. Факт існування стійких атомних ядер свідчить про те, що між нуклонами в ядрі діють сили тяжіння, які називаються ядерними силами. Експериментальні дослідження цих сил показали, що вони мають наступні особливості. Ядерні сили не залежать від наявності або відсутності електричного заряду у взаємодіючих нуклонів. При відстані R = 10 -15 м між дво-ма протонами діюча на них ядерна сила в 35 разів більше сили їх кулонівського взаємодії. Зі збільшенням відстані ядерні сили дуже швидко слабшають і при відстанях між нуклонами, що перевищують 1,4 10 -15 м, дією цих сил можна знехтувати. При відстанях, менших 10
15 м, тяжіння нуклонів замінюється їх від-відштовхування.
Кількісною характеристикою дії ядерних сил на нуклони в ядрі служить так звана енергія зв'язку
Це є найменша енергія, яку потрібно повідомити стабільному ядру для того, щоб розділити його на нуклони.
0 50 100 150 200 А
Мал. 23.1. Графік залежності питомої енергії зв'язку е нуклонів в ядрі від його масового числа А
Відношення енергії зв'язку до масового числа
називається питомою енергією зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енер-гія зв'язку, тобто енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, є функцією від масового числа: # 949; = # 949; (A). Графік цієї функції поки-зан на рис. 23.1. При невеликих значеннях масового числа (А <56) удельная энергия связи в среднем монотонно возрастает. Наибольшей удельной энергией связи обладают нуклоны в ядре изотопа железа 56 26 Fе При дальнейшем увеличении массового числа удельная энергия связи постепенно убывает.
Атомні ядра, що складаються з одного і того ж числа нуклонів, називаючи-ються изобарами: Z + N = А = const. При А = const ізобари відрізняються один від одного значеннями чисел Z і N. Встановлено, що більшості масових чисел А відповідає тільки один стабільний изобар, а всі інші ізобари - нестабільні, тобто мимовільно перетворюються в інші ядра.
Стабільний изобар є таким тому, що він володіє най-меншою енергією спокою Мс 2 в порівнянні з усіма ядрами, в які він міг би перетворитися. Відмінності в енергіях ядер-ізобар обумовлені нерівністю мас протона і нейтрона і наявністю у протона електрич-ного заряду. Так як маса нейтрона більша за масу протона, при заміні в ядрі протона на нейтрон збільшується маса і енергія спокою ядра, що робить його менш стійким. З іншого боку, при збіль-личен числа протонів енергія ядра збільшується за рахунок збільшен-ня позитивної енергії їх кулонівського відштовхування. Стійкі ядра характеризуються певним значенням відношення N / Z числа нейтронів до числа протонів. Для ядер, що містять не дуже велике число нуклонів (такі ядра називаються легкими), це відношення близьке до одиниці. Зі збільшенням числа нуклонів в ядрі відношення N / Z зростає, досягаючи для важких ядер значення 1,6.
Радіоактивністю називається мимовільне перетворення неустой-чівих ядер одного хімічного елемента в ядра інших елементів. Та-де-не перетворення може відбуватися різними шляхами. Основними шляхами мимовільного розпаду ядер є а розпад, # 946; розпад, протонна радіоактивність і спонтанне ділення важких ядер.
При а розпаді з ядра вилітає а -частинка, тобто ядро атома гелію 4 2 Чи не;
Так як а -частинка складається з чотирьох нуклонів, серед яких два про- тони, при її вильоті з ядра X утворюється ядро У елемента, порядковий номер якого на дві одиниці менше, а масове число менше на чотири одиниці. Це правило називається законом зміщення.
Тунельний ефект при а-розпаді при проходженні а-частинок через відштовхуючий кулонівський потенціал
Притягає ядерний потенціал сильних взаємодій
Відштовхуючий кулонівський потенціал
Маса нейтрона більше суми мас протона і електрона. Тому можливий мимовільний розпад нейтрона п на протон р і електрон е -. При цьому крім протона і електрона утворюється ще одна частинка, яка не має ні маси, ні заряду. Ця частка називається анти-нейтрино і позначається символом. Реакція розпаду нейтрона має вигляд
Мимовільне перетворення атомного ядра, в результаті якого його заряд збільшується або зменшується на один елементарний електрон-тричних заряд, називається # 946; розпадів. Такі ядра називаються # 946; -радіоактивне. Якщо один з нейтронів в ядрі перетвориться в протон, то відбудеться реакція
яка називається електронним # 946; розпадів.
Запишемо закон збереження енергії для електронного # 946; розпаду поко-ящегося ядра X, маса якого дорівнює MX
де My і ті - маси спокою ядра У і електрона відповідно, мас-са спокою антинейтрино дорівнює нулю; Ту. Ті і Тр - кінетичні енергії продуктів реакції. Як випливає з рівняння (23.8), сума цих кине-тичних енергій є постійна величина:
У кожному конкретному акті бета-розпаду кінетична енергія распреде-ляется між ядром У, електроном е - і антинейтрино довільним чином. Тому енергія електрона, що випускається при бета-розпаді ядра, може приймати будь-яке значення в межах від 0 до
У такому випадку говорять, що бета-спектр, тобто спектр енергій бета-частинки (електрона) є суцільним і має верхню межу, яка визначається значенням Tmax.
Експериментально і теоретично доведено, що кожної елементарний-ної частинки відповідає античастинка. Частка, що є Антича-стіцей для електрона, називається позитроном. Маса позитрона дорівнює масі електрона, а його заряд - позитивний і дорівнює за величиною еле-плементарним електричномузаряду е. Позитрон позначається символом е +. Антинейтрино є античастинкою по відношенню до частки і, яка називається нейтрино. При зіткненні частинки зі своєю ан-тічастіцей відбувається їх анігіляція, тобто ці частинки зникають, а замість них народжуються два (рідко три) фотона високих енергій, так на-зване # 947; - кванти. Наприклад, взаємодія електрона і позитрона призводить до їх анігіляції:
Спостерігається також зворотний процес - народження електрона і позитрона при проходженні # 947; -кванта поблизу атомного ядра:
# 947; + X → e - + e + + X
При випущенні ядром позитрона заряд ядра зменшується на один елементарний електричний заряд. Крім позитрона і нового ядра серед продуктів розпаду присутній нейтрино:
такий # 946; розпад називається позитрон.
Як вже говорилося вище, серед изобар легких елементів стабільні-ми є ті, в яких кількості протонів і нейтронів приблизно однакові. Ядра, в яких нейтронів значно більше, ніж про-тонів, нестабільні по відношенню до електронного # 946; -распаду, а ядра з надлишком протонів зазнають позитронний # 946; розпад.
Протонна радіоактивність, як показує сама назва, є пре-обертання ядер, при якому вони випускають один або два протона.
Ядра, масові числа яких більше, ніж у ядра урану, здатні до мимовільного поділу на дві частини. Після поділу ядра продук-ти поділу, названі ядрами-осколками, розлітаються в протипожежні-помилкові боку під дією кулонівських сил відштовхування.
Слід зазначити, що у всіх описаних в цьому розділі реакціях розпаду ядер зберігаються числа нуклонів і сумарний заряд частинок, тобто число нуклонів у вихідному ядрі дорівнює числу нуклонів в продуктах розпаду, а заряд ядра дорівнює заряду частинок, на які воно розпадається-ся. Закони збереження числа нуклонів і електричного заряду необ-обхідно враховувати при написанні рівняння розпаду і при обчисленнях масового і зарядового чисел нового ядра. Ці обчислення призводять до відповідних законів зміщення.
