 |
Стабильные и радиоактивные ядра, типы ядерных превращений, схемы распада, явление внутренней конверсии, электроны конверсии. Законы радиоактивных превращений.
|
|
|
|
Основы теории атомного ядра: масса, форма и размеры, структура, спин и магнитный момент ядра, энергия связи и устойчивость ядер, изотопы, ядерные силы. Основные элементарные частицы и их свойства.
А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Атомное ядро состоит из нуклонов, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (число протонов равно числу нейтронов).
При образовании ядра происходит уменьшение массы атома: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Это явление наз. дефектом массы. Массу ядра измеряют в а.е.м. – атомная единица массы.
Спин J ядра наряду с его массой M является механической характеристикой системы нуклонов. Спин ядра J складывается из спиновых s1 – sA и орбитальных l1 - lA моментов отдельных нуклонов: = 1 + 2 +... + А + 1 + 2 +... + А = 1 + 2 +... + А. Атомное ядро в каждом состоянии хар-ся полным моментом количества движения J, кот. в системе покоя ядра называется спином ядра Для спинов атомных ядер экспериментально установлены следующие закономерности: если A (суммарное число) – чётное, то J = n (n = 0, 1, 2, 3,...), т.е. спин ядра имеет целочисленное значение; если A – нечётное, то J = n + 1/2, т.е. спин ядра имеет полуцелое значение; чётно-чётные ядра в основном состоянии имеют значение спина J= 0, что указывает на взаимную компенсацию моментов нуклонов в основном состоянии ядра – особое свойство межнуклонного взаимодействия.
Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра Рm в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон mяд е/(2mp*с)
|
|
|
Здесь е - абсолютная величина заряда электрона, mp - масса протона, с - электродинамическая постоянная. Ядерный магнетон в раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.
Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре. Удельной энергией связи ядра wсв называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Величина wсв составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре.
Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина 10-15 м называется радиусом действия ядерных сил. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов.
Изотопами называются вещества, состоящие из атомов с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре. Изотопы отличаются друг от друга только массовым числом. Все элементы состоят из одного или нескольких изотопов. Лишь немногие изотопы в природе неустойчивы и поэтому постепенно распадаются с излучением субатомных частиц и электромагнитных волн. Это явление называется радиоактивностью
|
|
|
Стабильные и радиоактивные ядра, типы ядерных превращений, схемы распада, явление внутренней конверсии, электроны конверсии. Законы радиоактивных превращений.
Радиоакти́вный распа́д — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра. Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны.
Стабильные ядра - это такие ядра, для которых спонтанный распад и превращения являются энергетически невозможными. В реально существующих стабильных ядрах обычно число нуклонов одного сорта находится в определенном соотношении с числом нуклонов другого сорта.
Стабильные ядра с четным массовым числом и четным зарядом ядра все имеют, повидимому, спин, равный нулю. Для ряда элементов это можно установить непосредственно наблюдением над полосатыми спектрами, у которых в этом случае выпадает каждая вторая линия.
Основные типы ядерных превращений:
1) Альфа-распад. При альфа распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей, которая представляет собой ядро гелия. Энергия оставшегося ядра меньше чем исходного
ZХА → Z-2YА-4 + 2Не 4 
Альфа распад характерен для тяжёлых ядер с массовым числом более 200. Эн., к-ую получает альфа частица складывается из эн. состояния в к-ом образ-ся дочернее ядро и эн к-ая выделилась при разделении материнского ядра. Если при альфа распаде дочернее ядро попадает в возбуждён состояние, в дальнейшем происходит излучен γ – кванта, с к-ым уходит избыточная эн-ия, а ядро переходит на более низкий эн-ий уровень.
2) Бета-распад ‑ радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино. Различают три типа β-распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом
|
|
|
β(-)- из ядра вылетает электрон и антинейтрино(0ν 0)/, образуется дочернее ядро с зарядом +1.
ZХА → Z+1YА + е + (0ν 0)/ 
β(+)- (позитроный распад) - заряд –1, из ядра вылетает позитрон и нейтрино (0 ν 0).
ZХА → Z-1YА + р + 0ν 0
Нейтрино и антинейтрино не обладают массой покоя, зарядом, отлич-ся спиральностью, обладают огромной проницаемостью.
к- захват – превращение протона в нейтрон, материнское ядро получает электрон, выделяется нейтрино, заряд дочернего ядра –1.
ZХА + е → Z-1YА + 0ν 0
β- аналогичен экзотермич эффекту, т.е. не треб-ет дополнит эн-ии, доп-ся у естествен и искуствен изотопов.
β+ и К-захват треб-ют дополнит эн-ии, поэтому характерны только для искуствен изотопов
Гамма-излучение.
Масса гамма кванта = 0. Представляет жёсткое электромагнитное излучение. Они не явл-ся самостоят видом радиоактивного распада, а явл-ся осн формой уменьшения эн-ии дочернего ядра. Для них хар-ны з-ны оптики, их невозможно изучать обычными физ–хим методами. Об их наличии судят по вторичным эффектам.
Внутренняя конверсия - явление, при котором энергия γ-перехода ћω из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией в результате электромагнитного взаимодействия передаётся одному из электронов атомной оболочки, который при этом вылетает из атома (конверсионный электрон). Кинетическая энергия конверсионного электрона Т определяется энергией γ-перехода ћω и энергией связи электрона в атоме Ece T = ћω - Ece.
Электроны внутренней конверсии могут вылетать из различных оболочек атома: K, L, M и т.д. Чаще всего конверсионные электроны вылетают из ближайшей к ядру K-оболочки. В отличие от β-распада конверсионные электроны имеют дискретный спектр энергии.
Закон радиоактивного превращения: для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно: dN = -λNdt. В этом математическом выражении — постоянная распада, кот. хар-етвероятностьрадиоакт-го распада за ед. времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоак-х ядер со временем.
|
|
|
