Составные части ядра. Энергия связи нуклонов. Ядерные силы.

Протонно-нейтронная модель
В 1932 году русский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Ядерные частицы получили название - нуклоны. Так как массы протона и нейтрона мало отличаются друг от друга и равны 1а.е.м., то массовое число А определяет общее число нуклонов в ядре. Число протонов в ядре, очевидно, равно зарядовому числу (Z). Тогда число нейтронов N=A-Z. Согласно протонно-нейтронной модели ядра, изотопы - это ядра, содержащие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Ядерные силы
Протоны, имеющиеся в ядре, отталкиваются друг от друга кулоновскими силами. Однако это не приводит к разрушению ядер. Очевидно, между нуклонами в ядре действуют силы притяжениянеэлектрической природы. Эти силы получили название ядерных. Взаимодействие нуклонов получило название сильного взаимодействия.
Свойства ядерных сил:

1. зарядовая независимость;

2. короткодействующий характер (ядерные силы действуют на расстояниях, не превышающих 2·10^-15 м);

3. насыщаемость (ядерные силы удерживают друг возле друга не больше определенного числа нуклонов).

Энергия связи ядра
Энергия, которую надо затратить, чтобы, преодолев ядерные силы, расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связиатомного ядра. Как следует из закона сохранения энергии, если ядро образуется из отдельных нуклонов, то энергия связи ядра в момент его формирования выделяется в виде излучения.
Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что

Е_св=Dm·c², где Dm-дефект массы ядра.

Что такое дефект массы? Рассчитаем суммарную массу покоя нуклонов, входящих в ядро какого-либо элемента: (Z·m_p+(A-Z)·m_n ). Сравним получившееся число с массой ядра M_я. Оказалось, что для всех элементов таблицы Менделеева масса ядра меньше суммарной массы частиц, входящих в состав ядра. Разница этих значений и называется дефектом массы:

Dm=Z·m_p+(A-Z)·m_n-M_я

Итак, формула, по которой можно вычислить энергию связи, имеет вид:

Е_св=(Z·m_p+(A-Z)·m_n-M_я)·c²

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи: dЕ=DЕ/А

Удельная энергия связи равна энергии, которую необходимо затратить. чтобы удалить из ядра 1 нуклон. Вычисление dЕ проведены для всех химических элементов. Зависимость удельной энергии связи от массового числа можно представить в виде графика, приведенного на рисунке.

Из графика зависимости удельной энергии связи от массового числа А видно, что:

На основании этого анализа сделан вывод о том, что практически можно осуществить два способа высвобождения внутриядерной энергии:

30. Естественная радиоактивность. α-, β- распад, γ-излучение. Их характеристика.

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента, сопровождаемое радиоактивным излучением.
Открытие явления - 1896 г. французский ученый Анри Беккерель при постановке опытов с солями урана.
Без каких-либо внешних влияний на уран А. Беккерелем было зарегистрировано неизвестное излучение.
В 1898 г. М. Склодовская - Кюри обнаружила излучение тория. а также открыла новые радиоактивные химические элементы полоний и радий.

Все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Естественная радиоактивность химических элементов не зависит от внешних условий.

Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — менее 2·10−10 м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами[1].

Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. Изомерный переход, энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях (см. Синхротронное излучение). Энергия гамма-квантов, возникающих при переходах между возбуждёнными состояниями ядер, не превышает нескольких десятков МэВ. Энергии гамма-квантов, наблюдающихся в космических лучах, могут превосходить сотни ГэВ.

Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не отклоняются электрическими и магнитными полями, характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества. Основные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через вещество:

Фотоэффект — энергия гамма-кванта поглощается электроном оболочки атома, и электрон, совершая работу выхода, покидает атом (который становится ионизированным).

Комптон-эффект — гамма-квант рассеивается при взаимодействии с электроном, при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии, что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома.

Эффект образования пар — гамма-квант в поле ядра превращается в электрон и позитрон.

Ядерный фотоэффект — при энергиях выше нескольких десятков МэВ гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра.