Z faktu existencie jadier vyplýva, že medzi nukleónmi jadra pôsobia špecifické jadrové sily, neredukovateľné na elektromagnetické sily. Jadrové sily majú nasledujúce vlastnosti.
1. Jadrové sily sú krátkeho dosahu. Klesajú exponenciálne so vzdialenosťou Interakčný polomer nukleónov je menší cm a súvisí s hmotnosťou interakčnej nosnej častice (pi-mezónu).
2. Jadrové sily sú sily príťažlivosti a vo vzdialenostiach 1 fermi krát väčšie ako Coulombove odpudivé sily protónov v jadre. Vyplýva to z kladnej hodnoty väzbovej energie jadra a existencie deuterónu. Coulombova odpudivá energia dvoch protónov
Špecifická väzbová energia nukleónu v jadre hélia je približne 7 mev.
3. Jadrové sily majú necentrálny (tensorový) charakter, t.j. závisia od vzájomného usporiadania nukleónov. Vyplýva to z prítomnosti elektrického kvadrupólového momentu v deuteróne.
4. Potenciál jadrových síl závisí od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich častíc a ich spinov. Nasvedčujú tomu pokusy o rozptyle pomalých neutrónov molekulárnym vodíkom.
5. Jadrové sily majú vlastnosť saturácie. Každý nukleón interaguje iba s obmedzeným počtom nukleónov, ktoré sú mu najbližšie. Vyplýva to zo skutočnosti, že väzbová energia je úmerná počtu nukleónov ALE. Ak by každý nukleón interagoval so všetkými ostatnými, potom by to bol E st ~ ALE 2 .
6. Jadrové sily majú vlastnosť účtovná nezávislosť(izotopová invariancia). Interakcia dvoch protónov, dvoch neutrónov, neutrónu s protónom v rovnakom kvantovom priestorovom a spinovom stave je rovnaká, ak je vylúčená Coulombova interakcia. Dokazujú to rozptylové experimenty ( n,p) a ( p, p), ako aj reakcie s tvorbou dvoch neutrónov v konečných stavoch. v zrkadlových jadrách (keď sú všetky protóny nahradené neutrónmi) sú všetky vlastnosti takmer rovnaké.
7. Jadrové sily majú výmenný charakter. Nukleóny interagujúce výmenou súradníc, spinov. a poplatky. Mezón π je kvantum jadrovej interakcie pri nízkych energiách.
8. Vysoká intenzita a odpudivý charakter jadrových síl na veľmi malé vzdialenosti () vyplýva z prítomnosti masívnych nabitých častíc (kvarkov) vo vnútri nukleónov.
9. Experimentálne sa pozoruje spin-orbitálna závislosť jadrových síl.
10. Pozoruje sa výrazná závislosť jadrových síl od hodnoty izotopového spinu T(1 alebo 0) pri nukleónových energiách menších ako 1 gav a nezávislosť od izospinu pri energiách vyšších ako 10 gav.
11. Všeobecný charakter ( n,p) a ( p, p) - rozptyl pri vysokých energiách väčších ako 100 mev vedie k záveru, že dochádza k veľmi silnému odpudzovaniu nukleónov vo vzdialenostiach menších ako 0,5 10 -13 cm, výmenný charakter jadrových síl a spin-orbitálna závislosť jadrových síl (necentrálny tenzorový charakter jadrových síl vyplýva z fázovej analýzy ( p, p) - rozptyl).
Atómové jadro pozostávajúce z určitého počtu protónov a neutrónov je jedna entita vďaka špecifickým silám, ktoré pôsobia medzi nukleónmi jadra a sú tzv. jadrové. Experimentálne bolo dokázané, že jadrové sily sú veľmi veľké, ďaleko presahujúce sily elektrostatického odpudzovania medzi protónmi. To sa prejavuje v skutočnosti, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre je oveľa väčšia ako práca Coulombových odpudivých síl. Uvažujme o hlavných črtách jadrových síl.
1. Jadrové sily sú príťažlivé sily krátkeho dosahu . Objavujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10–15 m. Dĺžka (1,5–2,2) 10–15 m je tzv. rozsah jadrových síl rýchlo klesajú s rastúcou vzdialenosťou medzi nukleónmi. Vo vzdialenosti (2-3) m jadrová interakcia prakticky chýba.
2. Jadrové sily majú vlastnosť nasýtenia, tie. každý nukleón interaguje iba s určitým počtom najbližších susedov. Tento charakter jadrových síl sa prejavuje v približnej stálosti špecifickej väzbovej energie nukleónov pri nábojovom čísle ALE>40. Ak by totiž nedošlo k saturácii, potom by sa špecifická väzbová energia zvýšila so zvýšením počtu nukleónov v jadre.
3. Znakom jadrových síl je aj ich účtovná nezávislosť , t.j. nezávisia od náboja nukleónov, takže jadrové interakcie medzi protónmi a neutrónmi sú rovnaké. Nábojovú nezávislosť jadrových síl možno vidieť z porovnania väzbových energií zrkadlové jadrá.Ako sa volajú jadrá?, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, v noci sa počet protónov v jednom rovná počtu neutrónov v druhom. Napríklad väzbové energie jadier hélia a ťažkého vodíka - trícia sú 7,72. MeV a 8,49 MeV Rozdiel medzi väzbovými energiami týchto jadier, rovný 0,77 MeV, zodpovedá energii Coulombovho odpudzovania dvoch protónov v jadre. Za predpokladu, že toto zvýšenie je rovnaké, možno zistiť, že priemerná vzdialenosť r medzi protónmi v jadre je 1,9·10 -15 m, čo je v súlade s hodnotou polomeru pôsobenia jadrových síl.
4. Jadrové sily nie sú centrálne a závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov. Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a para-molekulami vodíka. V molekule ortovodíka sú spiny oboch protónov navzájom paralelné, zatiaľ čo v molekule paravodíka sú antiparalelné. Experimenty ukázali, že rozptyl neutrónov paravodíkom je 30-krát väčší ako rozptyl ortovodíkom.
Komplexná povaha jadrových síl neumožňuje vyvinúť jedinú konzistentnú teóriu jadrovej interakcie, hoci bolo navrhnutých mnoho rôznych prístupov. Podľa hypotézy japonského fyzika H. Yukawu (1907-1981), ktorú navrhol v roku 1935, sú jadrové sily vďaka výmene - mezóny, t.j. elementárne častice, ktorých hmotnosť je približne 7-krát menšia ako hmotnosť nukleónov. Podľa tohto modelu nukleón v priebehu času m- hmotnosť mezónu) vyžaruje mezón, ktorý sa pohybuje rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla a prejde vzdialenosť, po ktorej je absorbovaný druhým nukleónom. Na druhej strane druhý nukleón tiež emituje mezón, ktorý je absorbovaný prvým. V modeli H. Yukawu je teda vzdialenosť, pri ktorej interagujú nukleóny, určená dĺžkou mezónovej dráhy, ktorá zodpovedá vzdialenosti cca. m a rádovo sa zhoduje s polomerom pôsobenia jadrových síl.
Otázka 26. štiepne reakcie. V roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn (1879-1968) a F. Strassmann (1902-1980) zistili, že keď je urán bombardovaný neutrónmi, niekedy sa objavia jadrá, ktoré sú približne polovičné ako pôvodné jadro uránu. Tento jav sa nazýval jadrové štiepenie.
Predstavuje prvú experimentálne pozorovanú reakciu jadrových premien. Príkladom je jedna z možných reakcií jadrového štiepenia uránu-235:
Proces jadrového štiepenia prebieha veľmi rýchlo (v čase ~10 -12 s). Energia uvoľnená počas reakcie ako (7.14) je približne 200 MeV na jeden akt štiepenia jadra uránu-235.
Vo všeobecnom prípade možno štiepnu reakciu jadra uránu-235 zapísať ako:
Neutróny (7,15)
Mechanizmus štiepnej reakcie možno vysvetliť v rámci hydrodynamického modelu jadra. Podľa tohto modelu, keď je neutrón absorbovaný jadrom uránu, prechádza do excitovaného stavu (obr. 7.2).
Nadbytočná energia, ktorú jadro dostáva v dôsledku absorpcie neutrónu, spôsobuje intenzívnejší pohyb nukleónov. V dôsledku toho dochádza k deformácii jadra, čo vedie k oslabeniu jadrovej interakcie krátkeho dosahu. Ak je excitačná energia jadra väčšia ako nejaká energia tzv aktivačnej energie , potom sa jadro pod vplyvom elektrostatického odpudzovania protónov rozdelí na dve časti s emisiou štiepne neutróny . Ak je excitačná energia pri absorpcii neutrónu menšia ako aktivačná energia, jadro nedosiahne
kritického štádia štiepenia a po vyžarovaní -kvanta sa vracia do hlavného
stave.
Dôležitou črtou jadrovej štiepnej reakcie je schopnosť realizovať na jej základe samoudržiavaciu jadrovú reťazovú reakciu . Je to spôsobené tým, že pri každom štiepení sa v priemere uvoľní viac ako jeden neutrón. Hmotnosť, náboj a kinetická energia úlomkov X a u, vznikajúce pri štiepnej reakcii typu (7.15) sú rôzne. Tieto fragmenty médium rýchlo spomaľuje, čo spôsobuje ionizáciu, zahrievanie a narušenie jeho štruktúry. Využitie kinetickej energie štiepnych úlomkov v dôsledku ich zahrievania média je základom premeny jadrovej energie na tepelnú energiu. Fragmenty jadrového štiepenia sú po reakcii v excitovanom stave a emitovaním prechádzajú do základného stavu β - častice a -kvantá.
Riadená jadrová reakcia vykonávané v nukleárny reaktor a sprevádzané uvoľňovaním energie. Prvý jadrový reaktor postavili v roku 1942 v USA (Chicago) pod vedením fyzika E. Fermiho (1901 - 1954). V ZSSR bol prvý jadrový reaktor vytvorený v roku 1946 pod vedením IV Kurchatova. Potom, po získaní skúseností s riadením jadrových reakcií, začali stavať jadrové elektrárne.
Otázka 27. jadrovej fúzie nazývaná fúzna reakcia protónov a neutrónov alebo jednotlivých ľahkých jadier, v dôsledku ktorej vzniká ťažšie jadro. Najjednoduchšie reakcie jadrovej fúzie sú:
AQ = 17,59 MeV; (7,17)
Výpočty ukazujú, že energia uvoľnená v procese reakcií jadrovej fúzie na jednotku hmotnosti výrazne prevyšuje energiu uvoľnenú pri reakciách jadrového štiepenia. Pri štiepnej reakcii jadra uránu-235 sa uvoľní približne 200 MeV, t.j. 200:235=0,85 MeV na nukleón a počas fúznej reakcie (7.17) sa uvoľní energia približne 17,5 MeV, teda 3,5 MeV na nukleón (17,5:5=3,5 MeV). teda proces fúzie je asi 4-krát efektívnejší ako proces štiepenia uránu (prepočítané na jeden nukleón jadra zúčastňujúceho sa na štiepnej reakcii).
Vysoká rýchlosť týchto reakcií a relatívne vysoké uvoľňovanie energie robia z rovnozložkovej zmesi deutéria a trícia najsľubnejšiu na riešenie problému. riadená termonukleárna fúzia. Nádeje ľudstva na vyriešenie energetických problémov sú spojené s riadenou termonukleárnou fúziou. Situácia je taká, že zásoby uránu, ako suroviny pre jadrové elektrárne, sú na Zemi obmedzené. Ale deutérium obsiahnuté vo vode oceánov je takmer nevyčerpateľným zdrojom lacného jadrového paliva. Situácia s tríciom je o niečo komplikovanejšia. Trícium je rádioaktívne (polčas rozpadu je 12,5 roka, rozpadová reakcia vyzerá takto:), v prírode sa nevyskytuje. Preto na zabezpečenie prac fúzny reaktor využíva trícium ako jadrové palivo, mala by byť zabezpečená možnosť jeho reprodukcie.
Na tento účel musí byť pracovná zóna reaktora obklopená vrstvou ľahkého izotopu lítia, v ktorej bude prebiehať reakcia.
V dôsledku tejto reakcie sa vytvorí izotop vodíka trícium ().
V budúcnosti sa uvažuje o možnosti vytvorenia nízkorádioaktívneho termonukleárneho reaktora na báze zmesi izotopu deutéria a hélia, fúzna reakcia má podobu:
MeV.(7.20)
V dôsledku tejto reakcie, v dôsledku absencie neutrónov v produktoch fúzie, môže byť biologické nebezpečenstvo reaktora znížené o štyri až päť rádov, a to ako v porovnaní s jadrovými štiepnymi reaktormi, tak aj v porovnaní s termonukleárnymi reaktormi pracujúcimi na deutérium resp. tríciové palivo, odpadá potreba priemyselného spracovania rádioaktívnych materiálov a ich preprava, kvalitatívne zjednodušuje likvidáciu rádioaktívneho odpadu. Vyhliadky na vytvorenie v budúcnosti ekologického termonukleárneho reaktora na báze zmesi deutéria () s izotopom hélia () však komplikuje problém surovín: prírodné zásoby izotopu hélia na Zemi sú zanedbateľné. . Vplyv om deutéria v budúcnosti ekologického termonukleáru
Na ceste k realizácii fúznych reakcií v pozemských podmienkach vzniká problém elektrostatického odpudzovania ľahkých jadier, keď sa priblížia na vzdialenosti, na ktoré začnú pôsobiť jadrové príťažlivé sily, t.j. asi 10 -15 m, po ktorom nastáva proces ich splývania v dôsledku tunelový efekt. Aby sa prekonala potenciálna bariéra, zrážajúce sa ľahké jadrá musia dostať energiu ≈10 keVčo zodpovedá teplote T ≈10 8 K a vyššie. Preto k termonukleárnym reakciám v prirodzených podmienkach dochádza len vo vnútri hviezd. Na ich realizáciu v pozemských podmienkach je potrebné silné zahriatie látky buď jadrovým výbuchom, alebo silným výbojom plynu, alebo obrovským pulzom laserového žiarenia, alebo bombardovaním intenzívnym lúčom častíc. Termonukleárne reakcie sa doteraz realizovali len pri skúšobných výbuchoch termonukleárnych (vodíkových) bômb.
Hlavné požiadavky, ktoré musí spĺňať termonukleárny reaktor ako zariadenie na riadenú termonukleárnu fúziu, sú nasledovné.
Po prvé, spoľahlivé zadržiavanie horúcej plazmy (≈108 K) v reakčnej zóne. Základná myšlienka, ktorá na dlhé roky určovala spôsob riešenia tohto problému, bola vyjadrená v polovici 20. storočia v ZSSR, USA a Veľkej Británii takmer súčasne. Táto myšlienka je použitie magnetických polí na zadržiavanie a tepelnú izoláciu vysokoteplotnej plazmy.
Po druhé, pri prevádzke s palivom obsahujúcim trícium (čo je izotop vodíka s vysokou rádioaktivitou) dôjde k radiačnému poškodeniu stien komory fúzneho reaktora. Podľa odborníkov mechanická odolnosť prvej steny komory pravdepodobne nepresiahne 5-6 rokov. To znamená nutnosť periodickej kompletnej demontáže inštalácie a jej následnej opätovnej montáže pomocou diaľkovo ovládaných robotov z dôvodu výnimočne vysokej zvyškovej rádioaktivity.
Po tretie, hlavnou požiadavkou, ktorú musí termonukleárna fúzia spĺňať, je, že uvoľnená energia v dôsledku termonukleárnych reakcií bude viac než kompenzovať energiu vynaloženú z vonkajších zdrojov na udržanie samotnej reakcie. Veľmi zaujímavé sú „čisté“ termonukleárne reakcie,
ktoré neprodukujú neutróny (pozri (7.20) a reakciu nižšie:
Otázka 28 α−, β−, γ− žiarenia.
Pod rádioaktivita pochopiť schopnosť niektorých nestabilných atómových jadier spontánne sa transformovať na iné atómové jadrá s emisiou rádioaktívneho žiarenia.
prirodzená rádioaktivita nazývaná rádioaktivita pozorovaná v prirodzene sa vyskytujúcich nestabilných izotopoch.
umelá rádioaktivita nazývaná rádioaktivita izotopov získaných v dôsledku jadrových reakcií uskutočňovaných na urýchľovačoch a jadrových reaktoroch.
Rádioaktívne premeny nastávajú pri zmene štruktúry, zloženia a energetického stavu jadier atómov a sú sprevádzané emisiou alebo záchytom nabitých alebo neutrálnych častíc a uvoľňovaním krátkovlnného žiarenia elektromagnetickej povahy (kvanty gama žiarenia ). Tieto emitované častice a kvantá sa súhrnne nazývajú rádioaktívne (alebo ionizujúce ) žiarenie a prvky, ktorých jadrá sa môžu z rôznych dôvodov samovoľne rozpadnúť (prírodné alebo umelé), sa nazývajú rádioaktívne, resp. rádionuklidy . Príčinou rádioaktívneho rozpadu je nerovnováha medzi jadrovými (krátky dosah) príťažlivými silami a elektromagnetickými (ďalekými) odpudivými silami kladne nabitých protónov.
ionizujúce žiarenie– prúd nabitých alebo neutrálnych častíc a kvantá elektromagnetického žiarenia, ktorých prechod látkou vedie k ionizácii a excitácii atómov alebo molekúl prostredia. Svojím charakterom sa delí na fotónové (gama žiarenie, brzdné žiarenie, röntgenové žiarenie) a korpuskulárne (alfa žiarenie, elektrón, protón, neutrón, mezón).
Z 2 500 v súčasnosti známych nuklidov je stabilných iba 271. Zvyšok (90 %!) je nestabilných; rádioaktívne; jedným alebo viacerými po sebe nasledujúcimi rozpadmi, sprevádzanými emisiou častíc alebo γ-kvant, sa menia na stabilné nuklidy.
Štúdium zloženia rádioaktívneho žiarenia umožnilo rozdeliť ho na tri rôzne zložky: α-žiarenie je prúd kladne nabitých častíc - jadier hélia (), β-žiarenie je tok elektrónov alebo pozitrónov, γ žiarenie – tok krátkovlnného elektromagnetického žiarenia.
Zvyčajne sú všetky druhy rádioaktivity sprevádzané emisiou gama lúčov - tvrdého, krátkovlnného elektromagnetického žiarenia. Gama lúče sú hlavnou formou znižovania energie excitovaných produktov rádioaktívnych premien. Jadro prechádzajúce rádioaktívnym rozpadom sa nazýva materská; vznikajúce dieťa jadro je spravidla excitované a jeho prechod do základného stavu je sprevádzaný emisiou kvanta.
Ochranné zákony. Počas rádioaktívneho rozpadu sa zachovávajú tieto parametre:
1. Nabite . Elektrický náboj nemožno vytvoriť ani zničiť. Celkový náboj pred a po reakcii musí byť zachovaný, hoci môže byť medzi rôznymi jadrami a časticami rozdelený odlišne.
2. Hromadné číslo alebo počet nukleónov po reakcii sa musí rovnať počtu nukleónov pred reakciou.
3. Celková energia . Pri všetkých reakciách a rozpadoch sa musí zachovať Coulombova energia a energia ekvivalentných hmotností.
4.hybnosť a uhlovú hybnosť . Zachovanie lineárnej hybnosti je zodpovedné za distribúciu Coulombovej energie medzi jadrá, častice a/alebo elektromagnetické žiarenie. Uhlová hybnosť sa vzťahuje na rotáciu častíc.
α-rozpad nazývaná emisia z atómového jadra α− častice. o α− rozpad, ako vždy musí byť dodržaný zákon zachovania energie. Zároveň akékoľvek zmeny energie systému zodpovedajú úmerným zmenám jeho hmotnosti. Preto pri rádioaktívnom rozpade musí hmotnosť materského jadra prevyšovať hmotnosť produktov rozpadu o hodnotu zodpovedajúcu kinetickej energii systému po rozpade (ak bolo materské jadro pred rozpadom v pokoji). Teda v prípade α− úpadok musí spĺňať podmienku
kde je hmotnosť materského jadra s hmotnostným číslom ALE a sériové číslo Z, 
je hmotnosť dcérskeho jadra a je hmotnosť α−
častice. Každá z týchto hmotností môže byť reprezentovaná ako súčet hmotnostného čísla a hmotnostného defektu:
Dosadením týchto výrazov pre hmotnosti do nerovnosti (8.2) dostaneme nasledujúcu podmienku pre α− rozpad:, (8.3)
tie. rozdiel v hmotnostných defektoch materského a dcérskeho jadra musí byť väčší ako hmotnostný defekt α− častice. Teda pri α− rozpad, hmotnostné čísla rodičovského a dcérskeho jadra sa musia navzájom líšiť o štyri. Ak je rozdiel v hmotnostných číslach rovný štyrom, potom pri , hmotnostné defekty prírodných izotopov vždy klesajú so zvyšujúcou sa ALE. Teda pre nerovnosť (8.3) nie je splnená, keďže hmotnostný defekt ťažšieho jadra, ktorým by malo byť materské jadro, je menší ako hmotnostný defekt ľahšieho jadra. Preto, keď α− nedochádza k štiepeniu jadra. To isté platí pre väčšinu umelých izotopov. Výnimkou je niekoľko ľahkých umelých izotopov, u ktorých sú skoky vo väzbovej energii, a tým aj v hmotnostných defektoch, obzvlášť veľké v porovnaní so susednými izotopmi (napríklad izotop berýlia, ktorý sa rozpadá na dva α− častice).
energie α− častice produkované pri rozpade jadier leží v relatívne úzkom rozmedzí od 2 do 11 MeV. V tomto prípade existuje tendencia polčasu klesať so zvyšujúcou sa energiou α− častice. Táto tendencia sa prejavuje najmä v postupných rádioaktívnych premenách v rámci rovnakej rádioaktívnej rodiny (Geiger-Nattallov zákon). Napríklad energiu α− častice počas rozpadu uránu (T \u003d 7.1. 10 8 rokov) je 4,58 mev, s rozpadom protaktínia (T \u003d 3.4. 10 4 rokov) - 5,04 Mevy počas rozpadu polónia (T \u003d 1,83. 10 -3 s)- 7,36mev.
Všeobecne povedané, jadrá rovnakého izotopu môžu emitovať α− častice s niekoľkými presne definovanými energetickými hodnotami (v predchádzajúcom príklade je uvedená najvyššia energia). Inými slovami, α− častice majú diskrétne energetické spektrum. Toto je vysvetlené nasledovne. Výsledné rozpadové jadro môže byť podľa zákonov kvantovej mechaniky v niekoľkých rôznych stavoch, v každom z nich má určitú energiu. Stav s čo najnižšou energiou je stabilný a je tzv Hlavná . Zvyšné štáty sú tzv vzrušený . Jadro v nich môže zostať veľmi krátky čas (10 -8 - 10 -12 s) a potom prejde do stavu s nižšou energiou (nie nevyhnutne hneď do hlavnej) s emisiou γ− kvantový.
Počas α− Existujú dve fázy rozpadu: formácia α− častice z nukleónov jadra a emisie α− jadrové častice.
Beta rozpad (žiarenie). Koncept rozpadu kombinuje tri typy spontánnych vnútrojadrových premien: elektrónový - rozpad, pozitrón - rozpad a záchyt elektrónov ( E- zachytiť).
Existuje oveľa viac beta-rádioaktívnych izotopov ako alfa-aktívnych. Sú prítomné v celej oblasti kolísania hmotnostného počtu jadier (od ľahkých jadier až po tie najťažšie).
Beta rozpad atómových jadier je spôsobený slabá interakcia elementárne častice a podobne ako rozpad sa riadi určitými zákonmi. Počas rozpadu sa jeden z neutrónov jadra zmení na protón, pričom vyžaruje elektrón a elektrónové antineutríno. Tento proces prebieha podľa schémy: . (8,8)
Počas rozpadu sa jeden z protónov jadra premení na neutrón s emisiou pozitrónu a elektrónového neutrína:
Voľný neutrón, ktorý nie je súčasťou jadra, sa spontánne rozpadá podľa reakcie (8.8) s polčasom asi 12 minút.Je to možné, pretože hmotnosť neutrónu a.m.u. väčšia ako hmotnosť protónov a.m.u. o hodnotu a.m.u., ktorá presahuje pokojovú hmotnosť elektrónu a.m.u. (ostatná hmotnosť neutrína je nulová). Rozpad voľného protónu zakazuje zákon zachovania energie, keďže súčet pokojových hmotností výsledných častíc - neutrónu a pozitrónu - je väčší ako hmotnosť protónu. Rozpad (8.9) protónu je teda možný len v jadre, ak je hmotnosť dcérskeho jadra menšia ako hmotnosť materského jadra o hodnotu prevyšujúcu pokojovú hmotnosť pozitrónu (zvyškové hmotnosti pozitrón a elektrón sú rovnaké). Na druhej strane, podobná podmienka musí byť splnená aj v prípade rozpadu neutrónu, ktorý je súčasťou jadra.
Okrem procesu prebiehajúceho podľa reakcie (8.9) môže k premene protónu na neutrón dôjsť aj zachytením elektrónu protónom so súčasnou emisiou elektrónového neutrína.
Rovnako ako proces (8.9), proces (8.10) sa nevyskytuje s voľným protónom. Ak sa však protón nachádza vo vnútri jadra, potom môže zachytiť jeden z orbitálnych elektrónov svojho atómu za predpokladu, že súčet hmotností materského jadra a elektrónu je väčší ako hmotnosť dcérskeho jadra. Samotná možnosť stretnutia protónov vo vnútri jadra s orbitálnymi elektrónmi atómu je spôsobená skutočnosťou, že podľa kvantovej mechaniky nedochádza k pohybu elektrónov v atóme po presne definovaných dráhach, ako to uznáva Bohr. teória, ale existuje určitá pravdepodobnosť stretnutia s elektrónom v ktorejkoľvek oblasti priestoru vo vnútri atómu, najmä v oblasti obsadenej jadrom.
Premena jadra spôsobená záchytom orbitálneho elektrónu sa nazýva E- zachytiť. Najčastejšie dochádza k záchytu elektrónu patriaceho do K-plášťa najbližšie k jadru (K-záchyt). K zachyteniu elektrónu, ktorý je súčasťou ďalšieho L-obalu (L-capture), dochádza približne 100-krát menej často.
Gama žiarenie. Gama žiarenie je krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, ktoré má extrémne krátku vlnovú dĺžku a v dôsledku toho výrazné korpuskulárne vlastnosti, t.j. je tok kvanta s energiou ( ν − frekvencia žiarenia), hybnosť a spin J(v jednotkách ħ ).
Gama žiarenie sprevádza rozpad jadier, vzniká pri anihilácii častíc a antičastíc, pri spomaľovaní rýchlo nabitých častíc v prostredí, pri rozpade mezónov, je prítomné v kozmickom žiarení, pri jadrových reakciách a pod.stredné, menej excitované štátov. Preto žiarenie toho istého rádioaktívneho izotopu môže obsahovať niekoľko druhov kvánt, líšiacich sa navzájom energetickými hodnotami. Životnosť excitovaných stavov jadier sa zvyčajne prudko zvyšuje so znižovaním ich energie a so zväčšovaním rozdielu medzi spinmi jadra v počiatočnom a konečnom stave.
K emisii kvanta dochádza aj počas radiačného prechodu atómového jadra z excitovaného stavu s energiou E i do uzemneného alebo menej excitovaného stavu s energiou E k (Ei > Ek). Podľa zákona zachovania energie (až do energie spätného rázu jadra) je kvantová energia určená výrazom: . (8.11)
Počas žiarenia sú splnené aj zákony zachovania hybnosti a momentu hybnosti.
Vzhľadom na diskrétnosť energetických hladín jadra má žiarenie čiarové spektrum energie a frekvencií. V skutočnosti je energetické spektrum jadra rozdelené na diskrétne a spojité oblasti. V oblasti diskrétneho spektra sú vzdialenosti medzi energetickými hladinami jadra oveľa väčšie ako energetická šírka Gúroveň určená dobou života jadra v tomto stave:
Čas určuje rýchlosť rozpadu excitovaného jadra:
kde je počet jadier v počiatočnom čase (); počet nerozpadnutých jadier naraz t.
Otázka 29. Zákony posunutia. Pri emisii častice jadro stratí dva protóny a dva neutróny. Preto je vo výslednom (dcérskom) jadre v porovnaní s pôvodným (rodičovským) jadrom hmotnostné číslo o štyri menšie a poradové číslo o dve menšie.
Počas rozpadu sa tak získa prvok, ktorý v periodickej tabuľke zaberá miesto o dve bunky vľavo v porovnaní s pôvodnou: (8,14)
Pri rozpade sa jeden z neutrónov jadra mení na protón s emisiou elektrónu a antineutrína (-rozpad). V dôsledku rozpadu zostáva počet nukleónov v jadre nezmenený. Hmotnostné číslo sa teda nemení, inými slovami, dochádza k premene jednej izobary na inú. Mení sa však náboj dcérskeho jadra a jeho poradové číslo. Pri -rozpade, keď sa neutrón zmení na protón, sa poradové číslo zvýši o jeden, t.j. v tomto prípade sa objaví prvok, ktorý je v periodickej tabuľke posunutý v porovnaní s pôvodnou o jednu bunku doprava:
Počas rozpadu, keď sa protón zmení na neutrón, sa poradové číslo zníži o jednu a novo získaný prvok sa posunie v periodickej tabuľke o jednu bunku doľava:
Vo výrazoch (8.14) − (8.16) X- symbol materského jadra, Y je symbolom dcérskeho jadra, je jadrom hélia; A= 0 a Z= –1 a pozitrón, pre ktorý A= 0 a Z=+1.
Prirodzene vznikajú rádioaktívne jadrá tri rádioaktívne rodiny volal uránová rodina (), rodina tórií ()a rodina aktínie (). Svoje mená dostali pre dlhožijúce izotopy s najdlhším polčasom rozpadu. Všetky rodiny po reťazci α- a β-rozpadov končia v stabilných jadrách izotopov olova - , a. Rodina neptúnia, počnúc transuránovým prvkom neptunium, sa získava umelo a končí izotopom bizmutu.
Jadrová interakcia svedčí o tom, že v jadrách sú špeciálne jadrové sily , neredukovateľné na žiadny z typov síl známych v klasickej fyzike (gravitačné a elektromagnetické).
jadrové sily sú krátkeho dosahu sily. Objavujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10–15 m. Dĺžka (1,5–2,2) 10–15 m je tzv. rozsah jadrových síl.
Objavujú jadrové sily účtovná nezávislosť : príťažlivosť medzi dvoma nukleónmi je rovnaká bez ohľadu na stav nabitia nukleónov - protón alebo neutrón. Nábojová nezávislosť jadrových síl je zrejmá z porovnania väzbových energií zrkadlové jadrá . Ako sa volajú jadrá?,v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký,ale počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom. Napríklad jadrá hélia a ťažkého vodíka – trícium. Väzbové energie týchto jadier sú 7,72 MeV a 8,49 MeV.
Rozdiel vo väzbových energiách jadier, rovný 0,77 MeV, zodpovedá energii Coulombovho odpudzovania dvoch protónov v jadre. Za predpokladu, že sa táto hodnota rovná , môžeme zistiť, že priemerná vzdialenosť r medzi protónmi v jadre je 1,9·10 -15 m, čo je v súlade s hodnotou polomeru jadrových síl.
Jadrové sily majú saturačná vlastnosť , ktorý sa prejavuje v, že nukleón v jadre interaguje iba s obmedzeným počtom susedných nukleónov, ktoré sú k nemu najbližšie. Preto existuje lineárna závislosť väzbových energií jadier od ich hmotnostných čísel A. Takmer úplná saturácia jadrových síl sa dosiahne v α-častici, čo je veľmi stabilná formácia.
Jadrové sily závisia od spinové orientácie interagujúce nukleóny. Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a para-molekulami vodíka. V molekule ortovodíka sú spiny oboch protónov navzájom paralelné, zatiaľ čo v molekule paravodíka sú antiparalelné. Experimenty ukázali, že rozptyl neutrónov paravodíkom je 30-krát väčší ako rozptyl ortovodíkom. Jadrové sily nie sú ústredné.
Poďme teda na zoznam všeobecné vlastnosti jadrových síl :
krátky dosah jadrových síl ( R~ 1 fm);
veľký jadrový potenciál U~ 50 MeV;
· závislosť jadrových síl od spinov interagujúcich častíc;
· tenzorový charakter interakcie nukleónov;
· jadrové sily závisia od vzájomnej orientácie spinových a orbitálnych momentov nukleónu (sily spin-orbit);
jadrová interakcia má vlastnosť saturácie;
nábojová nezávislosť jadrových síl;
výmenný charakter jadrovej interakcie;
príťažlivosť medzi nukleónmi na veľké vzdialenosti ( r> 1 fm), je nahradený odpudzovaním pri malých ( r < 0,5 Фм).
v interakcia medzi nukleónmi vzniká v dôsledku emisie a absorpcie kvánt jadrového poľa – π- mezóny . Definujú jadrové pole analogicky s elektromagnetickým poľom, ktoré vzniká ako výsledok výmeny fotónov. Interakcia medzi nukleónmi vyplývajúca z výmeny hmotnostných kvánt m, vedie k objaveniu sa potenciálu U ja ( r):
.
Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz:
jadrové sily(angl. Jadrové sily) sú sily vzájomného pôsobenia nukleónov v atómovom jadre. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nukleónmi rýchlo klesajú a stávajú sa takmer nepostrehnuteľné vo vzdialenostiach nad 10 -12 cm.
Z hľadiska teórie poľa elementárnych častíc sú jadrové sily najmä sily interakcie magnetických polí nukleónov v blízkej zóne. Na veľké vzdialenosti sa potenciálna energia takejto interakcie znižuje podľa zákona 1/r 3 - to vysvetľuje ich krátkodosahovú povahu. Vo vzdialenosti (3 ∙10 -13 cm) sa jadrové sily stávajú dominantnými a vo vzdialenostiach menších ako (9,1 ∙10 -14 cm) sa menia na ešte silnejšie odpudivé sily. Graf potenciálnej energie interakcie elektrického a magnetického poľa dvoch protónov, demonštrujúci prítomnosť jadrových síl, je znázornený na obrázku.
Interakcie protón - protón, protón - neutrón a neutrón - neutrón budú trochu odlišné, pretože štruktúra magnetických polí protónu a neutrónu je odlišná.
Existuje niekoľko základných vlastností jadrových síl.
1. Jadrové sily sú sily príťažlivosti.
2. Jadrové sily pôsobia krátko. Ich pôsobenie sa prejavuje len vo vzdialenostiach cca 10-15 m.
So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nukleónmi i jadrové sily rýchlo klesajú na nulu a vo vzdialenostiach menších ako je ich akčný polomer ((1,5 2,2) 1 0 ~ 15 m) sú približne 100-krát väčšie ako Coulombove sily pôsobiace medzi protónmi v rovnakej vzdialenosti.
3. Jadrové sily vykazujú nábojovú nezávislosť: príťažlivosť medzi dvoma nukleónmi je konštantná a nezávisí od stavu nabitia nukleónov (protón alebo neutrón). To znamená, že jadrové sily sú neelektronického charakteru.
Nábojová nezávislosť jadrových síl je zrejmá z porovnania väzbových energií v zrkadlových jadrách. Takzvané jadrá, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, tento počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom.
4. Jadrové sily majú vlastnosť saturácie, to znamená, že každý nukleón v jadre interaguje len s obmedzeným počtom nukleónov, ktoré sú mu najbližšie. Sýtosť sa prejavuje tak, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre zostáva konštantná s nárastom počtu nukleónov. Takmer úplné nasýtenie jadrových síl sa dosiahne pomocou a-častice, ktorá je veľmi stabilná.
5. Jadrové sily závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov.
6. Jadrové sily nie sú centrálne, to znamená, že nepôsobia pozdĺž čiary spájajúcej stredy interagujúcich nukleónov.
Zložitosť a nejednoznačnosť jadrových síl, ako aj náročnosť presného riešenia pohybových rovníc všetkých nukleónov jadra (jadro s hmotnostným číslom A je sústava telies A, nám neumožnili vyvinúť jednotný koherentná teória atómového jadra dodnes.
35. Rádioaktívny rozpad. Zákon rádioaktívnej premeny.
rádioaktívny rozpad(z lat. polomer"lúč" a activus"účinný") - spontánna zmena v zložení nestabilných atómových jadier (náboj Z, hmotnostné číslo A) emitovaním elementárnych častíc alebo jadrových fragmentov. Proces rádioaktívneho rozpadu sa tiež nazýva rádioaktivita a zodpovedajúce prvky sú rádioaktívne. Látky obsahujúce rádioaktívne jadrá sa tiež nazývajú rádioaktívne.
Zistilo sa, že všetky chemické prvky s atómovým číslom väčším ako 82 (t. j. počnúc bizmutom) a mnohé ľahšie prvky (prométium a technécium nemajú stabilné izotopy a niektoré prvky, ako je indium, draslík alebo vápnik, časť prírodných izotopov je stabilná, zatiaľ čo iné sú rádioaktívne).
prirodzená rádioaktivita- samovoľný rozpad jadier prvkov nachádzajúcich sa v prírode.
umelá rádioaktivita- samovoľný rozpad jadier prvkov získaných umelo prostredníctvom zodpovedajúcich jadrových reakcií.
acon rádioaktívneho rozpadu- fyzikálny zákon popisujúci závislosť intenzity rádioaktívneho rozpadu od času a počtu rádioaktívnych atómov vo vzorke. Objavili Frederick Soddy a Ernest Rutherford
Zákon bol najskôr formulovaný ako :
Vo všetkých prípadoch, keď sa oddelil jeden z rádioaktívnych produktov a skúmala sa jeho aktivita, bez ohľadu na rádioaktivitu látky, z ktorej vznikol, sa zistilo, že aktivita vo všetkých štúdiách s časom klesá podľa zákona geometrickej progresie.
z čoho s Bernoulliho vety vedci uzavrel [ zdroj neuvedený 321 dní ] :
Rýchlosť transformácie je vždy úmerná počtu systémov, ktoré ešte neprešli transformáciou.
Existuje niekoľko formulácií zákona, napríklad vo forme diferenciálnej rovnice:
čo znamená, že počet rozpadov, ku ktorým došlo v krátkom časovom intervale, je úmerný počtu atómov vo vzorke.
