Iz činjenice postojanja jezgri proizlazi da između nukleona jezgre djeluju specifične nuklearne sile, nesvodive na elektromagnetske sile. Nuklearne sile imaju sljedeća svojstva.
1. Nuklearne sile su kratkog dometa. Eksponencijalno se smanjuju s udaljenosti Interakcioni polumjer nukleona je manji cm a povezan je s masom čestice nositelja interakcije (pi-mezon).
2. Nuklearne sile su sile privlačenja i na udaljenostima od 1 fermi puta veće od Coulombovih odbojnih sila protona u jezgri. To proizlazi iz pozitivne vrijednosti energije vezanja jezgre i postojanja deuterona. Kulonova energija odbijanja dva protona
Specifična energija vezanja nukleona u jezgri helija je približno 7 mev.
3. Nuklearne sile imaju necentralni (tenzorski) karakter, t.j. ovise o međusobnom rasporedu nukleona. To proizlazi iz prisutnosti električnog kvadrupolnog momenta u deuteronu.
4. Potencijal nuklearnih sila ovisi o međusobnoj orijentaciji spinova međudjelujućih čestica i njihovih spinova. Na to ukazuju pokusi raspršenja sporih neutrona molekularnim vodikom.
5. Nuklearne sile imaju svojstvo zasićenja. Svaki nukleon stupa u interakciju samo s ograničenim brojem njemu najbližih nukleona. To proizlazi iz činjenice da je energija vezanja proporcionalna broju nukleona ALI. Kad bi svaki nukleon stupio u interakciju sa svim ostalima, onda bi to bio E st ~ ALI 2 .
6. Nuklearne snage imaju svojstvo naplatiti neovisnost(izotopska invarijantnost). Interakcija dva protona, dva neutrona, neutrona s protonom u istim kvantnim prostornim i spinskim stanjima je ista, ako se isključi Coulomb interakcija. O tome svjedoče eksperimenti raspršenja ( n,str) i ( str, str), kao i reakcije s stvaranjem dva neutrona u konačnim stanjima. u zrcalnim jezgrama (kada su svi protoni zamijenjeni neutronima), sva svojstva su gotovo ista.
7. Nuklearne sile imaju razmjenski karakter. Nukleoni u interakciji razmjenjuju koordinate, spinove. i optužbe. π mezon je kvant nuklearne interakcije pri niskim energijama.
8. Visok intenzitet i odbojna priroda nuklearnih sila na vrlo malim udaljenostima () proizlazi iz prisutnosti masivnih nabijenih čestica (kvarkova) unutar nukleona.
9. Eksperimentalno se promatra ovisnost nuklearnih sila o spin-orbiti.
10. Uočava se značajna ovisnost nuklearnih sila o vrijednosti izotopskog spina T(1 ili 0) pri energijama nukleona manjim od 1 gav i neovisnost od izospina pri energijama većim od 10 gav.
11. Opći karakter ( n, str) i ( str, str) - raspršenje pri visokim energijama većim od 100 mev dovodi do zaključka da postoji vrlo jaka odbojnost nukleona na udaljenostima manjim od 0,5 10 -13 cm, karakter izmjene nuklearnih sila i spin-orbitalna ovisnost nuklearnih sila (necentralni tenzorski karakter nuklearnih sila slijedi iz fazne analize ( str, str) - raspršivanje).
Atomska jezgra, koja se sastoji od određenog broja protona i neutrona, jedinstvena je cjelina zbog specifičnih sila koje djeluju između nukleona jezgre i nazivaju se nuklearna. Eksperimentalno je dokazano da su nuklearne sile vrlo velike, daleko veće od sila elektrostatičkog odbijanja između protona. To se očituje u činjenici da je specifična energija vezanja nukleona u jezgri mnogo veća od rada Coulombovih odbojnih sila. Razmotrimo glavne značajke nuklearnih sila.
1. Nuklearne sile su sile privlačenja kratkog dometa . Pojavljuju se samo na vrlo malim udaljenostima između nukleona u jezgri reda veličine 10–15 m. Duljina (1,5–2,2) 10–15 m naziva se raspon nuklearnih sila brzo se smanjuju s povećanjem udaljenosti između nukleona. Na udaljenosti od (2-3) m nuklearna interakcija praktički izostaje.
2. Nuklearne snage imaju svojstvo zasićenje, oni. svaki nukleon stupa u interakciju samo s određenim brojem najbližih susjeda. Ovaj karakter nuklearnih sila očituje se u približnoj konstantnosti specifične energije vezanja nukleona pri broju naboja ALI>40. Doista, da nema zasićenja, tada bi se specifična energija vezanja povećala s povećanjem broja nukleona u jezgri.
3. Značajka nuklearnih sila je i njihova naplatiti neovisnost , tj. ne ovise o naboju nukleona, pa su nuklearne interakcije između protona i neutrona iste.Neovisnost naboja nuklearnih sila može se vidjeti iz usporedbe energija vezanja zrcalne jezgre.Kako se zovu jezgre?, u kojoj je ukupan broj nukleona isti, noć je broj protona u jednom jednak broju neutrona u drugom. Na primjer, energije vezivanja jezgri helija i teškog vodika - tricija su 7,72 MeV i 8.49 MeV Razlika između energija vezanja ovih jezgri, jednaka 0,77 MeV, odgovara energiji Coulombove odbijanja dvaju protona u jezgri. Uz pretpostavku da je ovo povećanje jednako, može se utvrditi da je prosječna udaljenost r između protona u jezgri iznosi 1,9·10 -15 m, što je u skladu s vrijednošću radijusa djelovanja nuklearnih sila.
4. Nuklearne sile nisu središnji a ovise o međusobnoj orijentaciji spinova nukleona u interakciji. To potvrđuje i različit karakter raspršenja neutrona molekulama orto- i para vodika. U molekuli ortovodika spinovi oba protona su međusobno paralelni, dok su u molekuli paravodika antiparalelni. Eksperimenti su pokazali da je raspršenje neutrona paravodikom 30 puta veće od raspršenja ortovodikom.
Složena priroda nuklearnih sila ne dopušta razvoj jedne dosljedne teorije nuklearne interakcije, iako je predloženo mnogo različitih pristupa. Prema hipotezi japanskog fizičara H. Yukawe (1907-1981), koju je on predložio 1935. godine, nuklearne sile su zbog razmjene - mezona, t.j. elementarne čestice čija je masa približno 7 puta manja od mase nukleona. Prema ovom modelu, nukleon tijekom vremena m- masa mezona) emitira mezon koji, krećući se brzinom bliskom brzini svjetlosti, prijeđe udaljenost, nakon čega ga apsorbira drugi nukleon. Zauzvrat, drugi nukleon također emitira mezon, koji apsorbira prvi. U modelu H. Yukawe, dakle, udaljenost na kojoj nukleoni međusobno djeluju određena je duljinom puta mezona, što odgovara udaljenosti od oko m a po redu veličine podudara se s radijusom djelovanja nuklearnih sila.
Pitanje 26. fisijske reakcije. Godine 1938. njemački znanstvenici O. Hahn (1879-1968) i F. Strassmann (1902-1980) otkrili su da kada se uran bombardira neutronima, ponekad se pojavljuju jezgre koje su otprilike upola manje od izvorne jezgre urana. Ovaj fenomen je tzv nuklearna fizija.
Predstavlja prvu eksperimentalno promatranu reakciju nuklearnih transformacija. Primjer je jedna od mogućih reakcija nuklearne fisije urana-235:
Proces nuklearne fisije odvija se vrlo brzo (unutar vremena od ~10 -12 s). Energija oslobođena tijekom reakcije poput (7.14) iznosi približno 200 MeV po činu fisije jezgre urana-235.
U općem slučaju, reakcija fisije jezgre urana-235 može se zapisati kao:
Neutroni (7.15)
Mehanizam reakcije fisije može se objasniti u okviru hidrodinamičkog modela jezgre. Prema ovom modelu, kada jezgra urana apsorbira neutron, on prelazi u pobuđeno stanje (slika 7.2).
Višak energije koji jezgra prima kao rezultat apsorpcije neutrona uzrokuje intenzivnije kretanje nukleona. Kao rezultat toga, jezgra je deformirana, što dovodi do slabljenja nuklearne interakcije kratkog dometa. Ako je energija uzbude jezgre veća od neke energije tzv aktivacijska energija , tada se pod utjecajem elektrostatičkog odbijanja protona jezgra dijeli na dva dijela, uz emisiju fisijskih neutrona . Ako je energija uzbude pri apsorpciji neutrona manja od energije aktivacije, tada jezgra ne doseže
kritičnom stadiju fisije i, nakon što je emitirao -kvant, vraća se u glavni
stanje.
Važna značajka reakcije nuklearne fisije je sposobnost da se na njenoj osnovi provede samoodrživa nuklearna lančana reakcija . To je zbog činjenice da se tijekom svakog događaja fisije u prosjeku oslobađa više od jednog neutrona. Masa, naboj i kinetička energija fragmenata x i U, koji nastaju tijekom reakcije fisije tipa (7.15) su različiti. Medij brzo usporava te fragmente, uzrokujući ionizaciju, zagrijavanje i narušavanje njegove strukture. Korištenje kinetičke energije fisijskih fragmenata zbog njihovog zagrijavanja medija temelj je pretvorbe nuklearne energije u toplinsku energiju. Fragmenti nuklearne fisije su u pobuđenom stanju nakon reakcije i prelaze u osnovno stanje emitiranjem β - čestice i -kvanta.
Kontrolirana nuklearna reakcija provedeno u nuklearni reaktor a popraćeno oslobađanjem energije. Prvi nuklearni reaktor izgrađen je 1942. u SAD-u (Chicago) pod vodstvom fizičara E. Fermija (1901. - 1954.). U SSSR-u je prvi nuklearni reaktor stvoren 1946. pod vodstvom IV Kurchatova. Zatim su, nakon što su stekli iskustvo u kontroli nuklearnih reakcija, počeli graditi nuklearne elektrane.
Pitanje 27. nuklearna fuzija naziva se reakcija fuzije protona i neutrona ili pojedinih lakih jezgri, uslijed koje nastaje teža jezgra. Najjednostavnije reakcije nuklearne fuzije su:
, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)
Proračuni pokazuju da energija koja se oslobađa u procesu reakcija nuklearne fuzije po jedinici mase znatno premašuje energiju oslobođenu u reakcijama nuklearne fisije. Tijekom reakcije fisije jezgre urana-235 oslobađa se približno 200 MeV, t.j. 200:235=0,85 MeV po nukleonu, a tijekom fuzijske reakcije (7.17) oslobađa se energija od približno 17,5 MeV, tj. 3,5 MeV po nukleonu (17,5:5=3,5 MeV). Tako, proces fuzije je oko 4 puta učinkovitiji od procesa fisije urana (izračunato po jednom nukleonu jezgre koja sudjeluje u reakciji fisije).
Visoka brzina ovih reakcija i relativno veliko oslobađanje energije čine smjesu deuterija i tricija jednakom komponentom najperspektivnijom za rješavanje problema. kontrolirana termonuklearna fuzija. Nade čovječanstva za rješavanje energetskih problema povezane su s kontroliranom termonuklearnom fuzijom. Situacija je da su rezerve urana, kao sirovine za nuklearne elektrane, ograničene na Zemlji. Ali deuterij sadržan u vodi oceana gotovo je neiscrpan izvor jeftinog nuklearnog goriva. Situacija s tricijem je nešto složenija. Tricij je radioaktivan (njegovo vrijeme poluraspada je 12,5 godina, reakcija raspadanja izgleda kao:), ne javlja se u prirodi. Stoga, za osiguranje rada fuzijski reaktor koja koristi tricij kao nuklearno gorivo, treba osigurati mogućnost njegove reprodukcije.
U tu svrhu radna zona reaktora mora biti okružena slojem laganog litijevog izotopa u kojem će se odvijati reakcija
Kao rezultat ove reakcije nastaje izotop vodika tricij ().
U budućnosti se razmatra mogućnost stvaranja niskoradioaktivnog termonuklearnog reaktora na bazi mješavine izotopa deuterija i helija, fuzijska reakcija ima oblik:
MeV.(7.20)
Kao rezultat ove reakcije, zbog odsutnosti neutrona u fuzijskim produktima, biološka opasnost reaktora može se smanjiti za četiri do pet redova veličine, kako u usporedbi s nuklearnim fisijskim reaktorima tako i s termonuklearnim reaktorima koji rade na deuteriju i tricijevo gorivo, nema potrebe za industrijskom obradom radioaktivnih materijala i njihovim transportom, kvalitativno pojednostavljuje odlaganje radioaktivnog otpada. Međutim, izgledi za stvaranje u budućnosti ekološki prihvatljivog termonuklearnog reaktora na bazi mješavine deuterija () s izotopom helija () komplicirani su problemom sirovina: prirodne rezerve izotopa helija na Zemlji su beznačajne . Utjecaj om deuterija u budućnosti ekološki prihvatljive termonuklearne
Na putu do provedbe fuzijskih reakcija u zemaljskim uvjetima javlja se problem elektrostatičkog odbijanja lakih jezgri kada se one približavaju udaljenostima na kojima počinju djelovati nuklearne sile privlačenja, t.j. oko 10 -15 m, nakon čega dolazi do procesa njihova spajanja zbog efekt tunela. Da bi se prevladala potencijalna barijera, sudarajuće svjetlosne jezgre moraju dobiti energiju od ≈10 keVšto odgovara temperaturi T ≈10 8 K i više. Stoga se termonuklearne reakcije u prirodnim uvjetima događaju samo u unutrašnjosti zvijezda. Za njihovu provedbu u zemaljskim uvjetima potrebno je snažno zagrijavanje tvari ili nuklearnom eksplozijom, ili snažnim plinskim pražnjenjem, ili golemim impulsom laserskog zračenja, ili bombardiranjem intenzivnim snopom čestica. Termonuklearne reakcije do sada su se provodile samo u probnim eksplozijama termonuklearnih (vodikovih) bombi.
Glavni zahtjevi koje termonuklearni reaktor mora zadovoljiti kao uređaj za kontroliranu termonuklearnu fuziju su sljedeći.
Prvo, pouzdano zatvaranje vruće plazme (≈10 8 K) u reakcijskoj zoni. Temeljna ideja, koja je dugo godina određivala način rješavanja ovog problema, izražena je sredinom 20. stoljeća u SSSR-u, SAD-u i Velikoj Britaniji gotovo istovremeno. Ova ideja je korištenje magnetnih polja za zadržavanje i toplinsku izolaciju visokotemperaturne plazme.
Drugo, kada se radi na gorivu koje sadrži tricij (koji je izotop vodika s visokom radioaktivnošću), doći će do oštećenja stijenke komore fuzijskog reaktora radijacijom. Prema riječima stručnjaka, mehanička otpornost prvog zida komore vjerojatno neće prijeći 5-6 godina. To znači potrebu za periodičnim potpunim demontažom instalacije i njenom naknadnom montažom uz pomoć daljinski upravljanih robota zbog iznimno visoke preostale radioaktivnosti.
Treće, glavni zahtjev koji termonuklearna fuzija mora zadovoljiti je da će oslobađanje energije kao rezultat termonuklearnih reakcija više nego kompenzirati energiju koja se troši iz vanjskih izvora za održavanje same reakcije. Od velikog su interesa "čiste" termonuklearne reakcije,
koji ne proizvode neutrone (vidi (7.20) i reakciju u nastavku:
Pitanje 28 α−, β−, γ− radijacija.
Pod, ispod radioaktivnost razumjeti sposobnost nekih nestabilnih atomskih jezgri da se spontano transformiraju u druge atomske jezgre emisijom radioaktivnog zračenja.
prirodna radioaktivnost naziva se radioaktivnost uočena u prirodnim nestabilnim izotopima.
umjetna radioaktivnost naziva radioaktivnost izotopa dobivenih kao rezultat nuklearnih reakcija provedenih na akceleratorima i nuklearnim reaktorima.
Radioaktivne transformacije nastaju promjenom strukture, sastava i energetskog stanja jezgri atoma, a praćene su emisijom ili hvatanjem nabijenih ili neutralnih čestica, te oslobađanjem kratkovalnog zračenja elektromagnetske prirode (kvanta gama zračenja ). Ove emitirane čestice i kvanti zajednički se nazivaju radioaktivan (ili ionizirajući ) zračenje, a elementi čije se jezgre mogu spontano raspasti iz ovog ili onog razloga (prirodnog ili umjetnog) nazivaju se radioaktivnim ili radionuklida . Uzroci radioaktivnog raspada su neravnoteže između nuklearnih (kratkih) privlačnih sila i elektromagnetskih (dugometnih) odbojnih sila pozitivno nabijenih protona.
Ionizirana radiacija– tok nabijenih ili neutralnih čestica i kvanta elektromagnetskog zračenja čiji prolazak kroz tvar dovodi do ionizacije i pobuđivanja atoma ili molekula medija. Po svojoj prirodi dijeli se na fotonsko (gama zračenje, kočno zračenje, rendgensko zračenje) i korpuskularno (alfa zračenje, elektron, proton, neutron, mezon).
Od 2500 trenutno poznatih nuklida, stabilan je samo 271. Ostali (90%!) su nestabilni; radioaktivan; jednim ili više uzastopnih raspada, praćenih emisijom čestica ili γ-kvanta, pretvaraju se u stabilne nuklide.
Proučavanje sastava radioaktivnog zračenja omogućilo je njegovu podjelu u tri različite komponente: α-zračenje je tok pozitivno nabijenih čestica - jezgre helija (), β-zračenje je tok elektrona ili pozitrona, γ zračenje – tok kratkovalnog elektromagnetskog zračenja.
Obično su sve vrste radioaktivnosti praćene emisijom gama zraka – tvrdog, kratkovalnog elektromagnetskog zračenja. Gama-zrake su glavni oblik smanjenja energije pobuđenih produkata radioaktivnih transformacija. Jezgra koja prolazi radioaktivno raspadanje naziva se majčinski; u nastajanju dijete jezgra se u pravilu pokaže pobuđenom, a njezin prijelaz u osnovno stanje prati emisija kvanta.
Zakoni o očuvanju. Tijekom radioaktivnog raspada, slijedeći parametri se čuvaju:
1. Naplatiti . Električni naboj se ne može stvoriti ili uništiti. Ukupni naboj prije i nakon reakcije mora biti očuvan, iako se može različito rasporediti među različitim jezgrama i čestica.
2. Maseni broj ili broj nukleona nakon reakcije mora biti jednak broju nukleona prije reakcije.
3. Ukupna energija . Coulombova energija i energija ekvivalentnih masa moraju biti očuvane u svim reakcijama i raspadima.
4.zamah i kut gibanja . Očuvanje linearne količine gibanja odgovorno je za raspodjelu Coulombove energije među jezgrama, čestica i/ili elektromagnetskog zračenja. Kutni moment se odnosi na spin čestica.
α-raspad naziva se emisija iz atomske jezgre α− čestice. Na α− raspada, kao i uvijek, mora biti zadovoljen zakon održanja energije. Istodobno, sve promjene u energiji sustava odgovaraju proporcionalnim promjenama njegove mase. Stoga, tijekom radioaktivnog raspada, masa matične jezgre mora premašiti masu produkata raspada za iznos koji odgovara kinetičkoj energiji sustava nakon raspada (ako je matična jezgra mirovala prije raspada). Dakle, u slučaju α− propadanje mora zadovoljiti uvjet
gdje je masa matične jezgre s masenim brojem ALI i serijski broj Z, 
je masa jezgre kćeri i je masa α−
čestice. Svaka od ovih masa, zauzvrat, može se predstaviti kao zbroj masenog broja i defekta mase:
Zamjenom ovih izraza za mase u nejednakost (8.2) dobivamo sljedeći uvjet za α− raspad:, (8.3)
oni. razlika u defektima mase matične i kćeri jezgre mora biti veća od defekta mase α− čestice. Dakle, kod α− raspada, maseni brojevi matične i kćeri jezgre moraju se međusobno razlikovati za četiri. Ako je razlika u masenim brojevima jednaka četiri, tada na , defekti mase prirodnih izotopa uvijek opadaju s povećanjem ALI. Dakle, za , nejednakost (8.3) nije zadovoljena, jer je defekt mase teže jezgre, koja bi trebala biti matična jezgra, manji od defekta mase lakše jezgre. Stoga, kada α− ne dolazi do nuklearne fisije. Isto vrijedi i za većinu umjetnih izotopa. Iznimka je nekoliko lakih umjetnih izotopa, kod kojih su skokovi energije veze, a time i defekti mase, posebno veliki u odnosu na susjedne izotope (na primjer, izotop berilija koji se raspada na dva α− čestice).
Energija α− čestice nastale raspadom jezgri nalaze se u relativno uskom rasponu od 2 do 11 MeV. U tom slučaju postoji tendencija smanjenja vremena poluraspada s povećanjem energije α− čestice. Ta se tendencija posebno očituje u uzastopnim radioaktivnim transformacijama unutar iste radioaktivne obitelji (Geiger-Nattallov zakon). Na primjer, energija α− čestice tijekom raspada urana (T \u003d 7.1. 10 8 godine) je 4,58 mev, s raspadom protaktinija (T \u003d 3.4. 10 4 godine) - 5,04 Mevy tijekom propadanja polonija (T \u003d 1,83. 10 -3 s)- 7,36mev.
Općenito govoreći, jezgre istog izotopa mogu emitirati α− čestice s nekoliko strogo definiranih energetskih vrijednosti (u prethodnom primjeru navedena je najveća energija). Drugim riječima, α− čestice imaju diskretni energetski spektar. To se objašnjava na sljedeći način. Nastala jezgra raspada, prema zakonima kvantne mehanike, može biti u nekoliko različitih stanja, u svakom od kojih ima određenu energiju. Stanje s najnižom mogućom energijom je stabilno i naziva se glavni . Ostale države se zovu uzbuđen . Jezgra može ostati u njima vrlo kratko (10 -8 - 10 -12 sec), a zatim prelazi u stanje s nižom energijom (ne nužno odmah u glavno) s emisijom γ− kvantni.
Tijekom α− Postoje dvije faze propadanja: formiranje α− čestice iz nukleona jezgre i emisija α− čestice jezgre.
Beta raspad (zračenje). Koncept raspada kombinira tri vrste spontanih intranuklearnih transformacija: elektronički - raspad, pozitron - raspad i hvatanje elektrona ( E- uhvatiti).
Mnogo je više beta-radioaktivnih izotopa nego alfa-aktivnih. Prisutni su u cijelom području varijacije masenog broja jezgri (od lakih jezgri do onih najtežih).
Do beta raspada atomskih jezgri dolazi zbog slaba interakcija elementarnih čestica i, poput raspada, pokorava se određenim zakonima. Tijekom raspada jedan od neutrona jezgre pretvara se u proton, pri čemu emitira elektron i elektronski antineutrino. Taj se proces odvija prema shemi: . (8.8)
Tijekom -raspada, jedan od protona jezgre pretvara se u neutron emisijom pozitrona i elektronskog neutrina:
Slobodni neutron koji nije dio jezgre spontano se raspada prema reakciji (8.8) s vremenom poluraspada od oko 12 minuta.To je moguće jer masa neutrona a.m.u. veća od mase protona a.m.u. za vrijednost a.m.u., koja premašuje masu mirovanja elektrona a.m.u. (masa mirovanja neutrina je nula). Propadanje slobodnog protona zabranjeno je zakonom održanja energije, budući da je zbroj masa mirovanja nastalih čestica - neutrona i pozitrona - veći od mase protona. Raspad (8.9) protona je, dakle, moguć samo u jezgri, ako je masa kćerke jezgre manja od mase matične jezgre za vrijednost veću od mase mirovanja pozitrona (mase mirovanja pozitrona). pozitron i elektron su jednaki). S druge strane, sličan uvjet mora biti zadovoljen i u slučaju raspada neutrona koji je dio jezgre.
Osim procesa koji se odvija prema reakciji (8.9), transformacija protona u neutron može se dogoditi i hvatanjem elektrona protonom uz istovremenu emisiju elektronskog neutrina
Baš kao i proces (8.9), proces (8.10) se ne događa sa slobodnim protonom. Međutim, ako je proton unutar jezgre, tada može uhvatiti jedan od orbitalnih elektrona svog atoma, pod uvjetom da je zbroj masa matične jezgre i elektrona veći od mase kćerke jezgre. Sama mogućnost susreta protona unutar jezgre s orbitalnim elektronima atoma posljedica je činjenice da se, prema kvantnoj mehanici, kretanje elektrona u atomu ne događa po strogo određenim orbitama, kao što je prihvaćeno u Bohrovoj teoriju, ali postoji određena vjerojatnost susreta s elektronom u bilo kojoj regiji prostora unutar atoma, posebno u području koje zauzima jezgra.
Transformacija jezgre uzrokovana hvatanjem orbitalnog elektrona naziva se E- uhvatiti. Najčešće dolazi do hvatanja elektrona koji pripada K-ljusci najbližoj jezgri (K-capture). Hvatanje elektrona koji je dio sljedeće L-ljuske (L-capture) događa se otprilike 100 puta rjeđe.
Gama zračenje. Gama zračenje je kratkovalno elektromagnetsko zračenje, koje ima izrazito kratku valnu duljinu i kao rezultat toga izražena korpuskularna svojstva, t.j. je tok kvanta s energijom ( ν − frekvencija zračenja), impuls i spin J(u jedinicama ħ ).
Gama zračenje prati raspadanje jezgri, javlja se tijekom anihilacije čestica i antičestica, tijekom usporavanja brzo nabijenih čestica u mediju, tijekom raspada mezona, prisutno je u kozmičkom zračenju, u nuklearnim reakcijama itd. srednje, manje pobuđeno Države. Stoga zračenje istog radioaktivnog izotopa može sadržavati nekoliko vrsta kvanta, koji se međusobno razlikuju po energetskim vrijednostima. Životni vijek pobuđenih stanja jezgri obično naglo raste kako se njihova energija smanjuje i kako se povećava razlika između spinova jezgre u početnom i konačnom stanju.
Emisija kvanta također se događa tijekom radijacijskog prijelaza atomske jezgre iz pobuđenog stanja s energijom Ei u prizemno ili manje pobuđeno stanje s energijom E k (Ei >Ek). Prema zakonu održanja energije (do energije trzaja jezgre) kvantna energija određena je izrazom: . (8.11)
Tijekom zračenja također su zadovoljeni zakoni održanja količine gibanja i kutnog momenta.
Zbog diskretnosti energetskih razina jezgre, zračenje ima linijski spektar energije i frekvencija. Zapravo, energetski spektar jezgre podijeljen je na diskretna i kontinuirana područja. U području diskretnog spektra udaljenosti između energetskih razina jezgre su mnogo veće od energetske širine G razina određena životnim vijekom jezgre u ovom stanju:
Vrijeme određuje brzinu raspada pobuđene jezgre:
gdje je broj jezgri u početno vrijeme (); broj neraspadnutih jezgri u isto vrijeme t.
Pitanje 29. Zakoni pomaka. Prilikom emitiranja čestice, jezgra gubi dva protona i dva neutrona. Prema tome, u nastaloj (kćeri) jezgri, u odnosu na izvornu (roditeljsku) jezgru, maseni broj je četiri manji, a redni broj dva manji.
Tako se tijekom propadanja dobiva element koji u periodnom sustavu zauzima mjesto dvije ćelije lijevo u odnosu na izvornu: (8.14)
Tijekom raspada jedan od neutrona jezgre pretvara se u proton uz emisiju elektrona i antineutrina (-raspad). Kao rezultat raspada, broj nukleona u jezgri ostaje nepromijenjen. Dakle, maseni broj se ne mijenja, drugim riječima, dolazi do transformacije jedne izobare u drugu. Međutim, mijenja se naboj jezgre kćeri i njezin redni broj. Tijekom -raspada, kada se neutron pretvara u proton, serijski broj se povećava za jedan, t.j. u ovom slučaju pojavljuje se element koji je pomaknut u periodnom sustavu u odnosu na izvornu jednu po jednu ćeliju udesno:
Tijekom raspada, kada se proton pretvori u neutron, serijski broj se smanjuje za jedan, a novodobljeni element se u periodnom sustavu pomiče za jednu ćeliju ulijevo:
U izrazima (8.14) − (8.16) x- simbol matične jezgre, Y je simbol jezgre kćeri; je jezgra helija; A= 0 i Z= –1, i pozitron, za koji A= 0 i Z=+1.
Nastaju prirodno radioaktivne jezgre tri radioaktivne obitelji pozvao obitelj urana (), obitelj torija ()i obitelj aktinija (). Imena su dobili za dugovječne izotope s najdužim poluraspadom. Sve obitelji nakon lanca α- i β-raspada završavaju na stabilnim jezgrama izotopa olova - , i. Obitelj neptunija, počevši od transuranskog elementa neptunija, dobiva se umjetno i završava izotopom bizmuta.
Nuklearna interakcija svjedoči da u jezgrama postoje posebne nuklearne sile , ne svodi se ni na jednu od vrsta sila poznatih u klasičnoj fizici (gravitacijske i elektromagnetske).
nuklearne sile su kratkog dometa snage. Pojavljuju se samo na vrlo malim udaljenostima između nukleona u jezgri reda veličine 10–15 m. Duljina (1,5–2,2) 10–15 m naziva se raspon nuklearnih sila.
Nuklearne sile otkrivaju naplatiti neovisnost : privlačnost između dva nukleona je ista bez obzira na stanje naboja nukleona - protona ili neutrona. Neovisnost naboja nuklearnih sila vidi se iz usporedbe energija vezanja zrcalne jezgre . Kako se zovu jezgre?,u kojoj je ukupan broj nukleona isti,ali je broj protona u jednom jednak broju neutrona u drugom. Na primjer, jezgre helija i teškog vodika - tricija. Energije vezanja ovih jezgri su 7,72 MeV i 8,49 MeV.
Razlika u energijama vezanja jezgri, jednaka 0,77 MeV, odgovara energiji Coulombove odbijanja dvaju protona u jezgri. Uz pretpostavku da je ova vrijednost jednaka , možemo pronaći da je prosječna udaljenost r između protona u jezgri iznosi 1,9·10 -15 m, što je u skladu s vrijednošću polumjera nuklearnih sila.
Nuklearne snage imaju svojstvo zasićenja , koja se očituje u, da nukleon u jezgri djeluje samo s ograničenim brojem susjednih nukleona koji su mu najbliži. Zato postoji linearna ovisnost energija vezanja jezgri o njihovom masenom broju A. U α-čestici, koja je vrlo stabilna formacija, postiže se gotovo potpuno zasićenje nuklearnih sila.
Nuklearne sile ovise o spin orijentacije nukleoni u interakciji. To potvrđuje i različit karakter raspršenja neutrona molekulama orto- i para vodika. U molekuli ortovodika spinovi oba protona su međusobno paralelni, dok su u molekuli paravodika antiparalelni. Eksperimenti su pokazali da je raspršenje neutrona paravodikom 30 puta veće od raspršenja ortovodikom. Nuklearne sile nisu središnje.
Pa da nabrojimo opća svojstva nuklearnih sila :
kratki domet nuklearnih sila ( R~ 1 fm);
veliki nuklearni potencijal U~ 50 MeV;
· ovisnost nuklearnih sila o spinovima međudjelujućih čestica;
· tenzorski karakter interakcije nukleona;
· nuklearne sile ovise o međusobnoj orijentaciji spinskog i orbitalnog momenta nukleona (spin-orbit sile);
nuklearna interakcija ima svojstvo zasićenja;
neovisnost naboja nuklearnih sila;
razmjenski karakter nuklearne interakcije;
privlačenje između nukleona na velikim udaljenostima ( r> 1 fm), zamjenjuje se odbijanjem pri malom ( r < 0,5 Фм).
u interakcija između nukleona nastaje kao rezultat emisije i apsorpcije kvanta nuklearnog polja – π- mezona . Oni definiraju nuklearno polje po analogiji s elektromagnetskim poljem, koje nastaje kao rezultat izmjene fotona. Interakcija između nukleona koja nastaje izmjenom masenih kvanta m, dovodi do pojave potencijala U ja ( r):
.
Za pregled demonstracija kliknite na odgovarajuću hipervezu:
nuklearne sile(eng. Nuclear forces) su sile interakcije nukleona u atomskoj jezgri. Oni se brzo smanjuju s povećanjem udaljenosti između nukleona i postaju gotovo neprimjetni na udaljenosti iznad 10 -12 cm.
Sa stajališta teorije polja elementarnih čestica, nuklearne sile su uglavnom sile interakcije magnetskih polja nukleona u bliskoj zoni. Na velikim udaljenostima potencijalna energija takve interakcije opada prema zakonu 1/r 3 - to objašnjava njihov karakter kratkog dometa. Na udaljenosti (3 ∙ 10 -13 cm) nuklearne sile postaju dominantne, a na udaljenostima manjim od (9,1 ∙ 10 -14 cm) pretvaraju se u još snažnije odbojne sile. Na slici je prikazan graf potencijalne energije međudjelovanja električnog i magnetskog polja dvaju protona, koji pokazuje prisutnost nuklearnih sila.
Interakcije proton - proton, proton - neutron i neutron - neutron bit će nešto drugačije jer je struktura magnetskih polja protona i neutrona različita.
Postoji nekoliko osnovnih svojstava nuklearnih sila.
1. Nuklearne sile su sile privlačenja.
2. Nuklearne sile su kratkog djelovanja. Njihovo djelovanje se očituje samo na udaljenostima od oko 10-15 m.
S povećanjem udaljenosti između nukleona i, nuklearne sile se brzo smanjuju na nulu, a na udaljenostima manjim od njihovog radijusa djelovanja ((1,5 2,2) 1 0 ~ 15 m) ispadaju otprilike 100 puta veće od Coulombove sile koje djeluju između protona na istoj udaljenosti.
3. Nuklearne sile pokazuju neovisnost o naboju: privlačenje između dva nukleona je konstantno i ne ovisi o stanju naboja nukleona (protona ili neutrona). To znači da su nuklearne sile neelektronske prirode.
Neovisnost naboja nuklearnih sila vidi se iz usporedbe energija vezanja u zrcalnim jezgrama. Takozvane jezgre, u kojima je ukupan broj nukleona isti, ovaj broj protona u jednoj je jednak broju neutrona u drugoj.
4. Nuklearne sile imaju svojstvo zasićenja, odnosno svaki nukleon u jezgri stupa u interakciju samo s ograničenim brojem njemu najbližih nukleona. Zasićenje se očituje u činjenici da specifična energija vezanja nukleona u jezgri ostaje konstantna s povećanjem broja nukleona. Gotovo potpuno zasićenje nuklearnih sila postiže se a-česticom koja je vrlo stabilna.
5. Nuklearne sile ovise o međusobnoj orijentaciji spinova nukleona u interakciji.
6. Nuklearne sile nisu središnje, odnosno ne djeluju duž linije koja spaja centre nukleona u interakciji.
Složenost i dvosmislena priroda nuklearnih sila, kao i poteškoća u preciznom rješavanju jednadžbi gibanja svih nukleona jezgre (jezgra s masenim brojem A je sustav tijela A, nisu nam dopustili da razvijemo jedinstveni koherentnu teoriju atomske jezgre do danas.
35. Radioaktivni raspad. Zakon radioaktivne transformacije.
radioaktivni raspad(od lat. radius"greda" i activus"učinkovito") - spontana promjena u sastavu nestabilnih atomskih jezgri (naboj Z, maseni broj A) emitiranjem elementarnih čestica ili nuklearnih fragmenata. Naziva se i proces radioaktivnog raspada radioaktivnost, a odgovarajući elementi su radioaktivni. Tvari koje sadrže radioaktivne jezgre također se nazivaju radioaktivnim.
Utvrđeno je da svi kemijski elementi s atomskim brojem većim od 82 (dakle, počevši od bizmuta), te mnogi lakši elementi (prometij i tehnecij nemaju stabilne izotope, a neki elementi, poput indija, kalija ili kalcija, imaju dio prirodnih izotopa stabilan, dok su drugi radioaktivni).
prirodna radioaktivnost- spontani raspad jezgri elemenata koji se nalaze u prirodi.
umjetna radioaktivnost- spontani raspad jezgri elemenata dobivenih umjetno kroz odgovarajuće nuklearne reakcije.
znak radioaktivnog raspada- fizikalni zakon koji opisuje ovisnost intenziteta radioaktivnog raspada o vremenu i broju radioaktivnih atoma u uzorku. Otkrili Frederick Soddy i Ernest Rutherford
Zakon je najprije formuliran kao :
U svim slučajevima kada je jedan od radioaktivnih produkta odvojen i proučavana njegova aktivnost, bez obzira na radioaktivnost tvari od koje je nastao, utvrđeno je da aktivnost u svim istraživanjima opada s vremenom prema zakonu geometrijske progresije.
od čega s Bernoullijeve teoreme znanstvenici zaključio [ izvor nespecificiran 321 dan ] :
Brzina transformacije uvijek je proporcionalna broju sustava koji još nisu prošli transformaciju.
Postoji nekoliko formulacija zakona, na primjer, u obliku diferencijalne jednadžbe:
što znači da je broj raspada koji su se dogodili u kratkom vremenskom intervalu proporcionalan broju atoma u uzorku.
