АТОМНАЯ ФИЗИКА

 

Заряд ядра. Точные измерения электрического заряда атомных ядер были выполнены в 1913 г. английским физиком Генри Мозли (1887—1915). Мозли установил, что электрический заряд ядра атома рамен произведению элементарного электрического заряда е на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева:

q = еZ

Таким образом, порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева определяется числом положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента или числом электронов в оболочке нейтрального атома.

Нейтрон. Так как ядро атома химического элемента с порядковым номером Z в таблице Менделеева содержит Z элементарных положительных зарядов, то естественно было предположить, что ядро любого из атомов этого химического элемента составлено из Z одинаковых частиц, каждая из которых обладает элементарным положительным зарядом.

Такой частицей мог быть протон — ядро самого легкого из атомов — атома водорода. Протон обладает положительным элементарным зарядом, масса протона равна 1,6726 · 10^-27 кг. Если бы атомные ядра состояли только из протонов, то ядро атома химического элемента с порядковым номером Z должно было бы обладать электрическим зарядом q = Ze массой т = Zmp. Но в действительности масса, например, ядра атома кислорода не в 8 раз больше массы ядра атома водорода, а примерно в 16 раз.

Проблема состава атомного ядра была решена только после открытия английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891—1974) в 1932 г. частицы, не имеющей электрического заряда и обладающей массой, примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтроном. Состав атомных ядер. После открытия нейтрона российский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901 —1976) выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой гипотезе, все ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается знаком Z. Число нейтронов в ядре обозначается знаком N. Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается знаком А и называется массовым числом:

 

A=Z+N

Изотопы. Ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами различных изотопов одного химического элемента. Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного химического элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам, например по способности к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда ядра атомы разных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами. Обозначается изотоп символом химического элемента X с указанием слева вверху массового числа А и слева внизу числа протонов Z в атомном ядре.

Например, самый легкий изотоп водорода, ядром которого является один протон, обозначается символом:

 

 

Тяжелый изотоп водорода - дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон, обозначается символом: а тритий: протон и два нейтрона:

 

Ядерные силы. Так как размеры атомных ядер малы, силы кулоновского отталкивания между двумя половинами, например, атомного ядра свинца, содержащего 82 протона, достигают нескольких тысяч ньютонов. Но ядро свища не разваливается на части под. действием кулоновских сил отталкивания, потому следует сделать вывод о существовании сил притяжения между протонами и нейтронами, превосходящих силы кулоновского отталкивания между протонами. Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, назвали ядерными силами. Другое название этого взаимодействия - сильное взаимодействие. Протон и нейтрон по способности к сильному взаимодействию не отличаются друг от друга, поэтому в ядерной физике их часто рассматривают как одну частицу – нуклон в двух различных состояниях.

Нуклон в состоянии без электрического заряда называется нейтроном.

Нуклон в состоянии с электрическим зарядом - протоном.

Основные свойства ядерных сил можно объяснить тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами, масса которых больше массы электрона примерно в 200 раз. Такие частицы были обнаружены экспериментально в 1947 г. Они получили название пи-мезонов. Ядерные силы являются короткодействующими силами. На расстояниях, не больших 10^-15 м, сильное взаимодействие нуклонов значительно превосходит электромагнитное и гравитационное, но с увеличением расстояния между нуклонами очень быстро убывает.

Точные измерения масс атомных ядер показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс Z свободных протонов и N нейтронов:

 

 

Энергия связи ядра. Так как масса любого атомного ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, то из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что собственная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше собственной энергии составленного из них ядра. Для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны нужно затратить энергию ΔЕ_св равную разности между собственной энергией свободных протонов и нейтронов и собственной энергией ядра:

 

где:

- дефект массы.

- масса ядра.

 

Минимальная энергия, которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами. При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро происходит освобождение энергии; освобождаемая энергия равна энергии связи ядра ΔЕ_св. Эта энергия освобождается за счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.

 

 

m_e = 9,1*10^-31 кг=5,486*10^-4 а. е. м. – масса электрона.

 

m_p = 1,6726*10^-27 кг =1,00728 а. е. м. – масса протона.

 

m_n = 1,6749*10^-27 кг=1,00866 а. е. м. – масса нейтрона.

 

1 а. е. м. = 1,66057*10^-27 кг.

 

1 МэВ = 1,60219*10^-27 Дж.

 

Радиоактивность. Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом собственной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.

Альфа - распадом называется самопроизвольный распад атомного ядра на альфа-частицу (ядро атома гелия) и ядро-продукт. Альфа - радиоактивны почти исключительно ядра тяжелых элементов с порядковым номером Z > 82. При вылете альфа-частицы из ядра число протонов в ядре уменьшается на два и продукт альфа - распада оказывается ядром элемента с порядковым номером на две единицы меньшим исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы:

 

 

Явление электронного бета-распада представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона. В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям.

Ядра, в которых происходят превращения нейтрона в протон, называются бета -радиоактивными. В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро - продукт бета-распада оказывается ядром одного из изотопов элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра:

 

Биологическое действие ионизирующих излучений. Физическое воздействие ионизирующей радиации любого вида на ткани живого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают высокой химической активностью; поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются отдельные сложные молекулы и элементы клеточных структур. Лучевое поражение, нанесенное при небольшой дозе облучения, живой организм может перенести легко, без каких-либо болезненных симптомов; большие дозы облучения могут привести к серьезному заболеванию или к смерти.

Единица поглощённой дозы получила название грэй (Гр). Используется и единица рад, 1 рад=0,01 Гр.

Современные методы медицинского обследования позволяют обнаружить признаки лучевого поражения организма при дозах рентгеновского или гамма-излучения, превышающих 0,25 Гр (25 рад). Дозы общего облучения человека в 2 Гр (200 рад) приводят к лучевой болезни, дозы в 7 - 8 Гр (700-800 рад) и более почти всегда смертельны. Многолетняя практика работы с источниками ионизирующих излучений в исследовательских лабораториях и использования ядерных излучений и рентгеновских лучей в медицине позволила установить предельно допустимую дозу общего облучения человеческого организма, не причиняющего ему никакого заметного вреда. По современным данным, такой дозой рентгеновского или гамма-излучения является доза в 0,05 Гр в год (5 рад в год). При одном рентгеновском обследовании доза облучения человека в несколько раз меньше допустимой дозы. Хотя малые дозы облучения не вызывают каких-либо изменений в человеческом организме, обнаруживаемых современными методами, их действие не является совершенно безвредным. В результате действия ионизирующих излучений на организм человека увеличивается вероятность некоторых заболеваний, возрастает вероятность повреждения клеток, несущих генетическую информацию. Поэтому общим правилом при работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиации является сведение уровня облучения человека к возможному минимуму.

Методы регистрации заряженных частиц.

Газоразрядные счетчики. Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Газоразрядный счетчик был изобретен немецким физиком Г. Гейгером, затем усовершенствован совместно с В, Мюллером. Поэтому газоразрядные счетчики часто называют счетчиками Гейгера — Мюллера.

Цилиндрическая трубка служит корпусом счетчика, по оси ее натянута тонкая металлическая нить. Нить и корпус трубки разделены изолятором. Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью паров метилового спирта, при давлении около 0,1 атм. Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица производит на своём пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы - к катоду. Напряженность электрического поля вблизи нити анода счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.

С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения.

Камера Вильсона. Одним из самых замечательных приборов экспериментальной ядерной физики является камера Вильсона. Внешний вид демонстрационной школьной камеры Вильсона показан на рисунке. В цилиндрическом сосуде с плоской стеклянной крышкой находится воздух с насыщенными парами спирта. Рабочий объем камеры через трубку соединяется с резиновой грушей. Внутри камеры на тонком стержне укреплен радиоактивный препарат. Для приведения камеры в действие грушу сначала плавно сжимают, затем резко отпускают. При быстром расширении воздух и пары в камере охлаждаются, а пар переходит в состояние пресыщения. Если в этот момент из препарата вылетает альфа-частица, вдоль пути ее движения в газе образуется колонка ионов. Пересыщенный пар конденсируется в капли жидкости» причем образование капель происходит в первую очередь на ионах, которые служат центрами конденсации пара. Колонка капель, сконденсировавшихся на ионах вдоль траектории движения частицы, называется треком частицы. Для выполнения точных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Треки частиц, движущихся в магнитном поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц.

 

Пузырьковая камера. Принцип действия пузырьковойкамеры состоит в следующем. В камере находится жидкость при температуре, близкой к температуре кипения. Быстрые заряженные частицы через тонкое окошко в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и производят на своем пути ионизацию и возбуждение атомов жидкости, В тот момент, когда частицы пронизывают рабочий объем камеры, давление внутри нее резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, возникающие вдоль пути следования частицы, обладают избытком кинетической энергии. Эта энергия приводит к повышению температуры жидкости в микроскопическом объеме вблизи каждого иона, ее вскипанию и образованию пузырьков пара. Цепочка пузырьков пара, возникающих вдоль пути движения быстрой заряженной частицы через жидкость, образует след этой частицы. В пузырьковой камере плотность любой жидкости значительно выше плотности газа в камере Вильсона, поэтому в ней можно более эффективно проводить изучение взаимодействий быстрых заряженных частиц с атомными ядрами. Для наполнения пузырьковых камер используют жидкий водород, пропан, ксенон и некоторые другие жидкости.

Метод фотоэмульсий. Фотографический метод является исторически первым экспериментальным методом регистрации ядерных излучений, так как явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем с помощью этого метода. Способность быстрых заряженных частиц создавать скрытое изображение в фотоэмульсии широко используется в ядерной физике и в настоящее время. Ядерные фотоэмульсии особенно успешно применяются при исследованиях в области физики элементарных частиц и космических лучей. Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии создает вдоль пути движения центры скрытого изображения. После проявления появляется изображение следов первичной частицы и всех заряженных частиц, возникающих в эмульсии в результате ядерных взаимодействий первичной частицы.