Дефект массы атомного ядра природа

1.2.2. Ядерные силы, дефект массы

Казалось бы, что согласно закону Кулона, положительные протоны должны были бы отталкиваться. Однако, в действительности ядра атомов достаточно прочные образования. Считают, что наиболее вероятно ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами с помощью особых частиц (квантов ядерного поля), которые назвали пи-мезонами. Ядерные силы значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с диаметром самих ядер. Каждый нуклон взаимодействует с определённым количеством соседних нуклонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжёлых элементов.

Чтобы разделить ядро на протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил нужно затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра эта энергия выделяется. Если рассчитать массу ядра по формуле:

то она окажется меньше массы её составляющих на какую- то величину. Разница между массой ядра расчетной и массой ядра фактической называется дефектом массы:

Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Этот расчёт можно произвести на основании уравнения Эйнштейна:

Любому изменению массы соответствует эквивалентное изменение энергии. Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Например, энергия ядра дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота – 104,56, а урана – 1800 МэВ. Для сравнения, химическая энергия связи атомов в молекулах в расчёте на один атом равна нескольким электронвольтам. Этим объясняется, почему ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем обычные химические реакции.

Радиоактивность – это свойство ядер определённых элементов самопроизвольно (т.е. без каких-то внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным распадом. Самопроизвольный распад ядра изображен на рис. 6.

Рис. 6. Схема деления ядра.

Радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают влияния изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

1.2.3. Типы ядерных превращений

Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра не устойчивы и претерпевают самопроизвольные превращения, в результате которых изменяется состав ядра, и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро другого элемента. При этом процессе ядра, испускают радиоактивные излучения.

Существуют следующие виды ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад (электронный и позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.

Альфа-распад – состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием α-частицы (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема образования альфа-излучения.

В общем виде альфа-распад представляется таким образом: где X и Υ – символы соответственно материнского и дочернего ядер.

Бета-распад – заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускается электрон и антинейтрино (cм. рис. 8).

Рис. 8. Схема образования бета-излучения.

При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличивается на единицу.

где ν – – антинейтрино, а  – электрон.

При позитронном распаде ядро испускает частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1, и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:

где ν – нейтрино,  + – позитрон.

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образую пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частицы (e + + e – ). Процесс превращения пары «электрон-позитрон» в два гамма-кванта получил название аннигиляции. Т.о. при позитронном распаде в конечном итоге за пределы ядра вылетают не две частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией, равной 0,511МэВ.

Электронный захват – один из протонов ядра забирает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему слоя и превращается в нейтрон.

Схема электронного захвата:

Освободившееся место заполняется электроном из более отдалённых от ядра слоёв оболочки атома. Избыток энергии испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

В зависимости от того, с какой внутренней оболочки захватывается электрон, иногда различают К-захват, L-захват и т.д.

Внутренняя конверсия – переход возбуждённого ядра в состояние с меньшей энергией может происходить путём внутренней конверсии, или конверсии с образованием электронно-позитронных пар. Ядро передаёт энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоёв, который в результате этого удаляется за пределы атома. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии.

Источник

41. Ядерные силы и их свойства. Дефект массы и энергия связи. Устойчивость ядер. Способы выделения энергии.

Ядерные силы – силы, удерживающие нуклоны в ядре. Ядерная сила – сила притяжения. Свойства ядерных сил:

1)Самое сильное из известных в природе взаимодействий.

3)Ядерные силы – явление краткодействующее.

4)Обладает свойством насыщения.

5)Не являются центральными ядерными силами.

6)Вид нуклон — нуклонного потенциала.

Энергия связи ядра – энергия, которую необходимо затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны. Равна энергии всех нуклонов в свободном состоянии.

Дефект массы характеризует уменьшение суммарной массы при обозначении ядра из нуклонов: ∆M=Z_mp+N_ma-M_a=E_св/c 2 .

Чем больше энергия связи, тем больше устойчивость ядра.

Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10 −13 см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил.

42. Закон радиоактивного распада. Постоянная распада, среднее время жизни ядра, период полураспада, активность.

Радиоактивный распад – процесс превращения неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, который сопровождается испусканием частиц.

N=N₀e — λt – закон радиоактивного распада, где N – число нераспавшихся ядер, N₀ – число начальных ядер.

Физический смысл постоянной распада – вероятность распада ядра за единицу времени. Характерные времена жизни для радиоактивных ядер τ> 10 -14 c. Времена жизни ядер, обусловленные испусканием нуклонов 10 -23 с < 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.

43. Виды радиоактивного распада. Α – распад, схема распада, закономерности распада.

Радиоактивный распад – процесс превращения неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, который сопровождается испусканием частиц.

Виды радиоактивного распада:

1)α – распад – сопровождается испусканием атомов гелия.

2)β – распад – испускание электронов и позитронов.

3)γ – распад – испускание фотонов при переходах между состояниями ядер.

α – распад: A ₂X→ A-Y _Z-2Y+ 4 ₂He. Α-распад наблюдается у тяжёлых ядер. Спектр α – распада дискретный. Длина пробега α – частицы в воздухе: 3-7см; для плотных веществ: 10 -5 м. T_1/2 10 -7 с ÷ 10 10 лет.

44. β – распад. Схемы β + , β — и К-захвата. Закономерности β – распада.

β – распад обусловлен слабым взаимодействием. Слабым оно является по отношению к сильным ядрам. В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотонов. Суть в вырождении новых частиц. T_1/2 10 -2 с ÷ 10 20 лет. Свободный пробег нейтрона 10 19 км.

β – распад включает в себя 3 вида распада:

1)β — или электронный. Ядро испускает электроны. В общем случае:

2)β + или позитронный. Испускаются античастицы электрона – позитроны: 1 ₁p→ 1 ₀n+ 0 ₁e+υ_e – реакция превращения протона в нейтрон. Самостоятельно реакция не проходит. Общий вид реакции: A _ZX→ A _Z-1Y+ 0 ₁e+υ_e. Наблюдается у искусственных радиоактивных ядер.

3)Электронный захват. Происходит превращение ядра, захватывает K – оболочку и превращается в нейтрон: 1 ₁p+ 0 _-1e→ 1 ₀n+υ_e. Общий вид: A _ZX+ 0 ₁e→ A _Z-1Y+υ_e. В результате электрического захвата из ядер вылетает только одна частица. Сопровождается характерным рентгеновским излучением.

Источник