Ядерная физика. Тема 2. Строение ядра

1. Мультимедийные лекции по физике

Ядерная физика

2. Тема 2. Строение ядра

План лекции
2.1. Протоны и нейтроны.
2.2. Строение ядра.
2.3. Ядерные силы.
2.4. Модели строения ядра.

3. 2.1. Протоны и нейтроны

Ядерной реакцией называется явление превращения
атомных ядер при их взаимодействии.
Резерфордом была осуществлена первая ядерная
реакция, в которой была зарегистрирована вторая
(вслед за электроном) элементарная частица –
протон.
Резерфордом для превращения элементов было
использовано - излучение.

4.

Успешной бомбардировке
могли подвергаться атомы
(ядра) только относительно легких элементов.
Наблюдая сцинтилляции при рассеянии - частиц в
азоте
(1919
год),
Резерфорд
обнаружил
возникновение частиц с очень большой энергией и
большим пробегом.
Дальнейшее изучение их свойств в электрическом и
магнитном полях показало, что эти частицы
представляют собой ядра атома водорода –
протоны.

5.

Схема опытов Резерфорда
К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником
α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э –
флюоресцентный экран.

6.

Первая ядерная реакция проходила по схеме:
N 2 8 O 1 p ;
14
7
4
17
N ( ; p)8 O .
14
7
1
17
К настоящему времени известны следующие
характеристики протона:
1
1. имеет обозначение:
1p ;
2. масса протона mP 1,00813a.e.м. 938,7МэВ 1837me ;
3. заряд протона
e 1,6 10 19
Кл;

7.

4. спин протона
S 1 2
5. собственный магнитный момент
где
;
p 2,79 я
e
я
5,03 10 27 Дж / Тл
2m p
- ядерный магнетон;
6. собственные магнитный и механический моменты
направлены в одну сторону;
7. стабильная частица, живущая бесконечно долго.
,

8.

Возбудить и вызвать превращение атомов тяжелых
элементов
- частицы не могли, так как им
мешал большой положительный заряд.
Требовался иной снаряд, с большей энергией и
нейтральный.
На возможность такой частицы в 1920 году указал
Резерфорд.
Экспериментальные же поиски ее затянулись.

9.

В 1932 году английский физик Д.Чедвик обнаружил в
ядерной реакции с - частицами, которыми
обстреливали берилиевую мишень, поток новых
частиц, названных нейтронами.
Be ( ; n ) 6 C
9
4
12
Открытие нейтрона совершило решительный поворот
в физике атомного ядра:
- оно открыло колоссальные возможности для
изучения свойств ядра:
- для получения новых ядерных реакций;
- привело к созданию модели атомного ядра.

10.

Схема установки для обнаружения нейтронов

11.

Нейтрон имеет следующие характеристики:
1. имеет обозначение
;
1
0
n
2. нестабильная частица с периодом полураспада
Т = 12 мин .
Распад нейтрона обусловлен тем, что он имеет
большую по сравнению с протоном массу.
Разность их масс достигает примерно 1,5 МэВ .
Распад нейтрона является простейшим примером распада и происходит по схеме: n p e ~
.

12.

3. масса нейтрона
mn 1,00898a.e.м. 939,55МэВ
;
4. заряд равен нулю;
5. спин
S 1 2
;
6. собственный магнитный момент
n 1,91 я
;
7. собственный магнитный и механический моменты
направлены в противоположные стороны.

13. 2.2. Строение ядра

В 1932 году Д.Д.Иваненко и независимо от него
Гейзенберг предложили гипотезу, согласно которой
атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
Число протонов Z определяет заряд ядра.
Cумма чисел протонов Z и нейтронов N его массу:
A=Z+N.
Для обозначения ядер применяют символ
A
X
Z
.

14.

Заряд Z и масса A – две важнейшие характеристики
ядра.
Для понимания строения атомного ядра
первостепенное значение имело открытие изотопов,
сделанное в 1913 году Томсоном и Астоном.
Они показали, что существует несколько сортов атомов
одного и того же химического элемента,
различающихся атомным весом.

15.

Второй важный вывод: отношение масс атомов
различных изотопов лишь ничтожно отличается от
отношения целых чисел.
Изотопы идентичны по своим химическим свойствам и
занимают одно и то же место в периодической
таблице Менделеева.
В настоящее время известно около 300 устойчивых
изотопов и свыше 1000 неустойчивых изотопов всех
химических элементов.

16.

Изотопы отличаются друг от друга числом
нейтронов.
Например, изотопы кислорода
,
17
16 ,
8
О
8
О
8
О
18
.
Открытие изотопов с большой остротой поставило
вопрос об установлении наиболее рациональной
единицы атомной массы.
Единица атомной массы (с1960 г.) равна 1/12 массы
атома углерода .
а.е.м 1,6603 10
27
кг

17.

Масса ядра характеризуется величиной, называемой
массовым числом А.
Целое число, ближайшее к атомному весу,
выраженному в а.е.м. , называется массовым
числом.
Массовое число равно суммарному числу протонов и
нейтронов в ядре - А.
M я A Z me A.

18.

Ядра с одинаковым числом А называются изобарами
(например, ядра аргона и кальция ).
40
Ar
18
40
Ca
20
Ядра с одинаковым числом нейтронов (А - Z) называют
изотонами (например, ядра углерода и азота ).
6C
13
14
N
7
Для ядер элементов вплоть до середины
периодической таблицы число входящих в ядро
нейтронов, примерно равно числу протонов:
N A Z
1.
Z
Z

19.

По мере утяжеления ядер с ростом массового числа
количество нейтронов в ядре преобладает над
числом протонов:
A Z
1,6.
Z
Элементарные частицы – протоны и нейтроны – в
ядерной физике представляются как два зарядовых
состояния одной частицы, которая получила
название нуклон.
Говорят, что ядро состоит из нуклонов.

20.

Числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах

21.

Сравнив ядра с одним и тем же числом нуклонов, но
разными числами протонов и нейтронов, можно
обнаружить некоторые их характерные
особенности.
1.
Среди легких ядер ( меньше 40) минимальную
энергию покоя имеют ядра примерно равным
числом протонов и нейтронов.
2. Среди ядер с числом нуклонов больше 40
наименьшую энергию имеют ядра, в которых число
нейтронов преобладает над числом протонов.

22.

Ядра с различным числом протонов и нейтронов
превращаются в ядра с минимальной энергией покоя
путем различных процессов, например,
- распада.
По этой причине среди ядер с одинаковым числом
нуклонов стабильно только ядро с минимальной
энергией покоя, а другие ядра радиоактивны.

23. 2.3. Ядерные силы

Нуклоны в атомных ядрах, несмотря на отталкивание
положительно заряженных протонов друг от друга,
очень сильно связаны между собой.
Рассчитаем силу электрического отталкивания 2-х
протонов в ядре атома гелия (радиус ядра по
порядку величины составляет 10 15 м).
1 e2
(1,6 10 19 ) 2
F
2
200
12
15 2
4 0 r
4 8,85 10 (10 )
Н.

24.

Силы электрического отталкивания очень велики, но
нуклоны не разлетаются.
Более того, плотность ядерного вещества огромна
Для ядра гелия она составляет величину:
m
4 1.6 10 27
17 кг
8 г
2 10
2 10
3
3
V 4 (2 10 15 )3
м
см
3

25.

Нуклоны в ядре взаимодействуют и это
взаимодействие носит характер притяжения.
Оно удерживает нуклоны на расстояниях порядка
друг от друга.
10 15 м
Ядерное взаимодействие получило название
сильного взаимодействия.

26.

Ядерное взаимодействие можно описать с помощью
поля ядерных сил.
Полная теория ядерных сил еще не построена, но
целый ряд характеристик их изучен.
Отметим некоторые свойства ядерных сил.
1. Ядерные силы короткодействующие.
Их действие начинает проявляться на расстояниях,
меньших 10 15 м .

27.

Они гораздо быстрее меняются с расстоянием,
чем гравитационные и кулоновские силы:
1 , где n >4.
FЯД
r
n

28.

Сила, действующая между двумя протонами,
изменяется сложным образом в зависимости от
расстояния между ними.
15
2
,
5
10
м эта сила почти
При расстояниях больших
полностью обусловлена электрическим
отталкиванием протонов.
При уменьшении расстояния начинает преобладать
притяжение, обусловленное ядерной силой.
15
0
,
5
10
м , ядерная сила
На расстояниях же, меньших
вызывает отталкивание между протонами.

29.

Fяд
10-15
1
2
3
4
5
6
7
15
(
r
10
м)
8

30.

Расстояние, начиная с которого между двумя
нуклонами действует ядерная сила, называется
радиусом действия ядерной силы.
Он приближенно равен
3 10
15
м
.
Ядерные силы ничтожно малы уже на расстояниях
14
порядка
.
10
м
По этой причине ядерные силы называют
короткодействующими, а электрические силы –
дальнодействующими.

31.

2. Ядерные силы действуют между нуклонами,
независимо от знака их заряда, то есть имеет место
зарядовая независимость ядерных сил.
3. Ядерные силы не являются центральными, в
отличие от электрических сил, действующих между
точечными и сферически распределенными
зарядами.
4. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации
спинов нуклонов.

32.

5. Как и химические силы, ядерные силы обладают
свойством насыщения.
Нуклоны взаимодействуют только с ближайшими
соседями, причем, насыщение ядерных сил
наступает при четырех взаимодействующих
нуклонах.
С увеличением порядкового номера элемента
возрастает число протонов в ядре, поэтому
возрастают силы отталкивания.

33.

Какова же природа ядерных сил
В 1934 году И.Е.Тамм высказал предположение, что
взаимодействие между нуклонами передается
посредством электронов: нуклоны в ядре
испытывают непрерывные превращения или
своеобразный радиоактивный распад:
n 1 p 1 e
1
0
1
0
1 p 1 e 0 n
1
0
1
- акт испускания электронов,
- акт поглощения электронов.

34.

Эта первая гипотеза давала качественное объяснение
характеру ядерных сил, но не давала
количественных соотношений.
В связи с этим в 1935 году японский физик Х.Юкава
выдвинул смелую гипотезу о том, что роль
переносчиков ядерного взаимодействия
выполняют частицы с массой, большей массы покоя
электрона в 200 – 300 раз.
Они были названы
- мезонами.

35.

Найденные позже в космических лучах
- мезоны
совпали по своим характеристикам с частицами,
предсказанными Юкавой.
Существуют положительные ( ), отрицательные
0
( ) и нейтральные ( ) - мезоны или коротко
пионы.
Спин всех пионов равен нулю.
Заряд равен заряду электрона.

36.

Массы пионов:
,
273m e
O 264m e
Частицы нестабильные: время жизни
0 - мезона 10-16 с;
и
мезонов 10-8 с.
В современной теории ядерных сил принимается, что
взаимное притяжение нуклонов обусловлено мезонами.
- мезон испускается одним нуклоном и сразу
поглощается соседним.

37.

Поглощение мезонов нуклонами приводит к сильному
взаимодействию между ними.
В результате таких мгновенных виртуальных
процессов нуклон оказывается окруженным облаком
виртуальных - мезонов.
Виртуальной называется частица, которая не может
быть зарегистрирована за время своего
существования.
Виртуальным называется переход из одного
состояния в другое за очень короткое время.

38.

В силу соотношения неопределенностей для энергии и
времени ( E t h ) при виртуальном переходе
энергия может не сохраняться, хотя другие законы
сохранения должны выполняться.
Виртуальные переходы играют важную роль в
квантовомеханическом описании процессов во
времени.
Если система находится в каких-то условиях в течение
ограниченного интервала времени, то ее энергия не
может быть определена точно.

39.

Так для рождения пиона из покоящегося протона
минимальное изменение энергии равно примерно
140 МэВ, что соответствует максимально
допустимому промежутку времени 10 23 с.
15
10
м, что
За это время пион пройдет расстояние
согласуется с наблюдаемым радиусом действия
ядерных сил.
Х. Юкава показал, что ядерную силу можно
рассматривать как результат обмена нуклонов
виртуальными пионами.

40.

p n ;
n p ;
p p ;
0
n n .
0

41. 2.4. Модели строения ядра

Быстро растущие потребности человечества в энергии
в будущем будут удовлетворяться за счет ядерных
реакций.
Изучение структуры атомного ядра все более
выступает на передний край физических
исследований.
Не удалось еще создать единой теории многообразных
и находящихся в сложной зависимости между собой
свойств атомных ядер.

42. Капельная модель

Рассмотрим современные модели строения атомных
ядер.
К ним относятся капельная и оболочечная модели.
В 1936 году Я.И.Френкель предложил капельную
модель ядра.
Ядра ведут себя во многих опытах подобно каплям
жидкости.

43.

Внутри ядра плотность ядерного вещества примерно
одинакова.
На границе ядра действуют силы, препятствующие
выходу нуклонов из ядра.
Это напоминает явление поверхностного натяжения в
жидкостях.
Величину энергии связи нуклонов можно сравнить с
теплотой испарения жидкостей.

44.

Нуклоны в некоторых ядрах распределены совершенно
равномерно, образуя сферическое тело.
Радиус ядра, исходя из расчетов капельной модели,
оценивается как
1
r
r
A
,
0
где А - массовое число,
3
r0 1,3 1,4 10 15 м.

45.

Капельная модель ядра позволяет объяснить ряд
важных явлений ядерной физики, в частности
объясняет деление тяжелых ядер.

46.

Тяжелые ядра могут делиться на две примерно равные
части, освобождая при этом большое количество
энергии.
С этой точки зрения возбужденное тяжелое ядро ведет
себя подобно жидкости.
E возб

47.

При его делении образуется перешеек, делящий ядро
на равные части.
На последней стадии деления ядро разрывается по
наиболее ослабленному месту ядра, то есть в
области перешейка.
Многие явления, в первую очередь связанные с
периодичностью свойств ядер, капельная модель
объяснить не в состоянии.

48. Оболочечная модель

Экспериментальным путем показано, что важнейшие
свойства стабильных ядер периодически изменяются
с увеличением числа протонов и соответственно
нейтронов.
Особенно стабильны ядра элементов, у которых
число протонов равно числу нейтронов.

49.

К таким ядрам относятся ядра элементов гелия,
кислорода, кальция, олова и свинца.
Число протонов: 2
4
Элемент:
He
2
8
16
O
8
20
40
Ca
20
50
50
Sn 100
82
164
Pb
82
126
Числа 2, 8, 20, 50, 82, 126 получили название
магических.
Они соответствуют ядерным состояниям, в которых
некоторые “нуклонные” оболочки оказываются
завершенными.

50.

Идея ядерных оболочек была впервые
сформулирована в 1932 году советским физиком
Д.Д.Иваненко.
В настоящее время идея ядерных оболочек является
общепринятой, хотя окончательно не завершенной.
Идея о ядерных оболочках базируется на том, что
состояния нуклонов в ядре можно описать
набором 4-х квантовых чисел, по аналогии с
состояниями электронов в атомах.
Атомное ядро может находиться в основном
состоянии сколь угодно долго.

51.

Если ядро возбудить, то оно переходит в одно из
разрешенных возбужденных состояний, в котором
может находиться ограниченное время.
При переходе ядра из возбужденного состояния в
основное ядро испускает квант электромагнитного
излучения (
- излучение).
Нуклоны в ядре образуют группы – оболочки – с
ограниченным числом нуклонов.

52.

Например, оболочка 1s может содержать только 2
нуклона, 2p – 6 нуклонов.
Оболочки, различающиеся главным квантовым числом
n, содержат соответственно следующее число
нуклонов:
n = 1: состояние 1s содержит 2 нуклона (протон и
нейтрон);
n = 2: состояния 2s и 2p содержат соответственно 2 и 6
нуклонов, всего их 8;
n = 3: состояния 3s, 3p и 3d содержaт соответственно 2,
6 и 10 нуклонов, всего их 18.
Следующие оболочки содержат 32, 50, 98 и т.д.
нуклонов.

53.

Этот ряд чисел практически соответствует ряду
магических чисел с некоторыми отклонениями.
Но такие же отклонения наблюдаются и при
заполнении электронных оболочек в атомах.
Оболочечная модель:
- удовлетворительно объясняет явления, связанные с
периодичностью в распределении заряда по ядру;
- наличие устойчивости атомных ядер;
- позволила объяснить механические и магнитные
моменты ядер.

54.

Однако, в других отношениях оболочечная модель
ядра недостаточно точна.
Итак, ни оболочечная, ни капельная модель не в
состоянии описать все свойства ядер.
Возможно, что структура атомного ядра различна в
основном и возбужденном состояниях, так что
основное состояние отвечает оболочечной
модели, а возбужденное состояние более
отвечает капельной модели ядра.