Протон и нейтрон обладают полуцелым спином ћ/2
Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.
Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.
Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N.
Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом.
Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов.
Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра.
Наиболее стабильными являются четно-четные ядра, состоящие из четного числа протонов и нейтронов, а среди них – «магические ядра», у которых число протонов и нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 125
Максимально устойчивостью и потому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра He, O, Ca, Pb, у которых магическим является
как число протонов так и нейтронов
Радиус ядра зависит от массового числа по закону:
R = r0A1/3 , где r0 = 1.2 нф
Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон
Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.
Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе.
Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях.
Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием альфа-частицы
Бета(минус)- распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.
Энергия распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.
Гамма- излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние.
Период полураспада – промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.
Закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:
N = N0.
где N0 – первоначальное число атомов
Т1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.
Активность радиоактивного распада вещества – число распадов радиоактивных ядер за 1 с.
Единица измерения – Бк (Беккерель)
1 Бк – активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.
A =
Энергетический выход реакции деления – энергия, выделяющаяся при делении одного ядра.
Цепная реакция деления – реакция, при которой число делящихся ядер лавинообразно нарастает.
Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции с их числу в предыдущем поколении:
k =
При k=1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется постоянным.
При k>1 реакция нестационарная: число нейтронов лавинообразно нарастает.
Критическая масса – минимальная масса урана, начиная с которой реакция деления ядер становится самоподдерживающейся.
Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролете нейтроном среды успевает образовываться новый нейтрон в результате реакции деления.
Ядерный реактор – устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.
Мощность реактора – количество тепловой энергии, выделяющейся в реакторе в единицу времени.
Термоядерный синтез – реакция, в которой при высокой температуре 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.
Характер воздействия радиоактивного излучения на живой организм зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.
Доза поглощенного излучения – отношение энергии излучения, поглощенного облучаемым телом, к его массе:
D =
Единица измерения – 1 Гр(грэй) = Дж/кг
Коэффициент относительной биологической активности, или коэффициент качества k, характеризует различие биологическое действия различных видов излучения.
Эквивалентная доза поглощенного излучения – произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:
H = D k
Единица измерения – 1Зв (Зиверт)
Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном – 2 мЗв в год.
Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.
Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.
Фермионы – частицы с полуцелым спином: ћ/2, 3ћ/2.
К фермионам относятся электрон, протон, нейтрон, электронное нейтрино.
Бозоны – частицы с целым спином 0, ћ, 2ћ.
К бозонам относятся фотон и π+-мезон
Принцип Паули:
в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более двух фермионов с противоположными спинами.
Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.
Античастица – элементарная частицы, имеющая с данной частицей равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.
Аннигиляция – процесс взаимодействия частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в γ-кванты (фотоны) электромагнитного поля или в другие частицы.
Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции
Андроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии
Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии
Закон сохранения лептонного заряда:
сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.
Мезоны – бозоны со спиновым числом S=0,1, участвующие в сильном взаимодействии
Барионы – фермионы со спином S=1/2: 3/2, участвующие в сильном взаимодействии
Гипероны – все барионы за исключением нуклонов (протонов и нейтронов)
Кварки – фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Кварки являются фермионами и имеют дробный электрический заряд ±2/3е, ±1/3е и дробный барионный заряд ±1/3
Кварки имеют шесть ароматов u, d, s, c, t, b и три цвета – красный, зеленый и синий.
Всего (вместе с антикварками) – 36 кварков.
Все андроны цветонейтральны.
Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета.
Мезоны, являясь бозонами, состоят из кварка и антикварка любого аромата и противоположного цвета.
Окружающий мир состоит из 48 фундаментальных частиц – фермионов (36 кварков и 12 лептонов)
Закон сохранения барионного заряда:
во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.
Глюон – бозон со спином 1, переносчик сильного взаимодействия.
Всего 8 глюонов (6 из них переносят цветовой заряд, а 2 бесцветны)
Полное число переносчиков фундаментальных взаимодействий – бозонов – равно 13.
Радиоактивность
Виды радиоактивности
Характеристики видов радиоактивного распада (α, β-, β+, γ)
Электронное антинейтрино
Энергия радиоактивного распада
Закон радиоактивного распада (см.ниже уч.11кл.стр.363-367)
Беккерель(см.ниже уч.11кл.стр.363-367)
Кюри(см.ниже уч.11кл.стр.363-367)
Активность радиоактивного распада(см.ниже уч.11кл.стр.363-367).
Использование радиоактивного распада
Большинство известных изотопов являются неустойчивыми и самопроизвольно распадаются на более устойчивые изотопы.
Радиоактивность –явление самопроизвольного распада и превращения одних (нестабильных) атомных ядер в другие с испусканием различных частиц
Устойчивыми и стабильными являются лишь атомные ядра с энергией связи нуклонов, большей суммарной энергии связи нуклонов с продуктах распада.
Это явление определяется как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого; при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия.
Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних условий: освещения, давления, температуры и т.д.
Существует два вида радиоактивности:
- естественная – радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе. Как правило, она имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия , изотоп углерода и другие.
- искусственная – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях
Принципиального различия между ними нет.
Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровождается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-, g-лучи.
Причиной радиоактивного распада является нарушение баланса между числом протонов с ядре Z и числом нейтронов N. Во всех стабильных ядрах (за исключением ) Z ≤ N поле ядерного притяжения нейтронов компенсирует кулоновское отталкивание протонов.
При нарушении требуемого баланса ядро обладает избыточной энергией и стремиться перейти в состояние с меньшей энергией.. Ядра, содержащие избыточное число протонов, освобождаются от этого избытка в результате альфа-распада.
a-лучи - это поток ядер гелия ( заряд 2е, а масса 4 а.е.м.) обладающих большой энергией, которые имеют дискретные значения.
Знак заряда у них положительный. Имеют большие скорости, достигающие десятых долей скорости света, значит обладают большой энергией.
Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием α-частицы
b-лучи - поток электронов движущихся с огромными скоростями близкими к скорости света, энергии которых принимают всевозможные значения от величины близкой к нулю до 1,3 МэВ.
Природа бета лучей была установлена раньше всех – в 1899 году. По их отклонению в электрическом и магнитных полях был измерен удельный заряд. Оказалось, что он такой же как у электрона.
Ядра, содержащие избыточное число нейтронов, уменьшают их число в результате бета-распада.
g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны (10-10-10-13 м)
Скорость распространения - около скорости света.
Ядра обладают способностью самопроизвольно распадаться. При этом устойчивыми являются только те ядра, которые обладают минимальной энергией по сравнению с теми, в которые ядро может самопроизвольно превратиться.
Ядра, в которых протонов больше, чем нейтронов, нестабильны, т.к. увеличивается кулоновская сила отталкивания .
Ядра, в которых больше нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы протона , а увеличение массы приводит к увеличению энергии.
Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядра из возбужденного в более низкие энергетические состояния.
Ядра могут освобождаться от избыточной энергии либо делением на более устойчивые части (α-распад), либо изменением заряда (β-распад).
α-распадом называется самопроизвольное деление атомного ядра на альфа частицу и ядро-продукт.
α -распаду подвержены все элементы тяжелее урана.
Способность α -частицы преодолеть притяжение ядра определяется туннельным эффектом (уравнением Шредингера).
При α-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическую энергию движения ядра-продукта и α-частицы. Часть энергии может пойти на возбуждения атома ядра-продукта. Таким образом, через некоторое время после распада ядро продукта испускает несколько гамма-квантов и приходит в нормальное состояние.
С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение альфа-распада:
В результате альфа-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы, а массовое число на четыре.
Широко применяемым источником α-частиц является радий, превращающийся при распаде в радон:
β(минис)-распад представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого его заряд увеличивается на единицу за счет испускания электрона.
Но масса нейтрона превышает сумму масс протона и электрона.
Этот объясняется выделением еще одной частицы – электронного антинейтрино:
β(плюс)-распад
Не только нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но при воздействии частиц он может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино.
Если энергия нового ядра меньше, то происходит позитронный β(плюс)-распад:
С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение бета(минус)-распада:
В результате бета(минус)-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева увеличивается на единицу.
В процессе бета-распада один из нейтронов превращается в протон. Вследствие закона сохранения электрического заряда образуется электрон.
В результате выделяется энергия распада Ek = (mn – mp –me)c2
Теоретически практически вся эта энергия должна передаваться более легкой частице – электрону. Поэтому предполагали, что при бета-распаде электроны должны обладать примерно одинаковой энергией.
Эксперименты Чедвика (1914 г.) показали, что энергия электронов при бета-распаде может быть любой в пределах от нуля до теоретического максимума. Следовательно, не вся энергия передается электрону.
В 1931 г. австрийский физик Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде возникает еще одна электрически нейтральная частица, которая приобретает импульс и уносит часть энергии распада.
Эту частицу, появляющуюся всегда вместе с электроном, стали называть электронное антинейтрино (итал. neutrino – нейтрончик)
Отличие электронного антинейтрино от нейтрино состоит в противоположной ориентации их спинов. Спин нейтрино направлен противоположно его импульсу (направлению скорости движения), а спин антинейтрино – сонаправлен с ним.
Таким образом процесс превращения нейтрона в протон сопровождается вылетом не только электрона, но и электронного антинейтрино.
Электрон и антинейтрино не входят в состав атома, а рождаются в процессе бета-распада.
Распределение энергии распада между электроном и антинейтрино носит случайный характер: энергия уносится и электроном и антинейтрино.
Как и α-распад, β-распад также может сопровождаться γ-излучением.
Существует также еще один вид распада – спонтанное деление ядер.
Самым легким элементом, способным к такому распаду, является уран.
Энергия радиоактивного распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.
Кинетическая энергия продуктов распада определяется разностью масс материнского ядра и продуктов распада:
Например, при распаде : Ek = (mRa – mRn –me)c2
См.ниже «Закон радиоактивного распада»
Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике.
Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия.
Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты.
Просвечиванием образцов известной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения.
По степени поглощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материалов.
Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, причём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи.
Радиоактивный сигнализатор позволяет определить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении любых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.
См.выше «Радиоактивность»
Радиоактивный распад – статистический процесс. Нельзя сказать, какие именно атомы распадутся за определенное время.
Период полураспада- промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.
Период полураспада определяется скоростью радиоактивного распада.
Чем меньше период полураспада, тем быстрее происходит распад.
Найдем закон радиоактивного распада, т.е. число N нераспавшихся атомов в произвольный момент времени t. Пусть в начальный момент времени есть N0 атомов. Атомы распадаются независимо друг от друга.
Период полураспада не зависит от начального числа атомов.
Спустя период полураспада T1/2 число нераспавшихся атомов: N1/2 = N0/2
Через n полураспадов t = nT1/2 число нераспавшихся атомов: N = N0/2n
Учитывая, что n = t/T1/2 получаем закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:
где Т1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.
Графиком такой зависимости является экспонента.
Скорость радиоактивного распада определяется производной = A, называемой активность радиоактивного распада.
Зная число атомов N нераспавшихся и их начальное число, можно найти число атомов, распавшихся к моменту времени t (учитывая, что 2 = eln2):
Nрасп = N0 – N = N0 – N0 = N0 – N0
Тогда:
A = = – N0(- ) = N0
Учитывая, что N = N0 и 1/ln2 = 1.44, окончательно получаем:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54
