Главная >  Атомное ядро и ядерные превращения 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

атомное ядро ядерные-превращения

Все атомы состоят из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. В ядрах сосредоточена почти вся масса атома. Так, например, масса атома водорода, состоящего из ядра и одного электрона, равна 1,б738-10 * г, а масса электрона равна (J.IOS-IO * г; масса атома гелия, состоящего из ядра и двух электронов, равна 6,6476-10 г, а масса двух электронов равна 1,8216 10 г. Обычно массы ядер иыражают не в граммах, а в атомных единицах массы (.-\ЕЛ\). Одна атомная единица массы равна V:u массы наиболее распространенного изотопа кислорода и составляет 1,6603-10 * г. Масса атома, выраженная в атомных единицах массы, называется атомным весом.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц двух видов - нейтронов и протонов, которые часто обозначают общим названием - н у-к л о н ы.

Протон представляет собой ядро атома водорода, т. е. атом водорода, лищенный своего единственного электрона. Протон обладает одним положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине отрицательному электрическому заряду электрона. Количество электричества, равное заряду электрона

Такое определение атомной единицы массы соответствует физической шкале атомных весов. В химической ижале атомных весов в качестве единицы принята /i6 атомного веса природжи ! смеси изотопов кислорода.



или протона, называется элементарным электрическим зарядом и равно 4,8- 10 CGSE= 1,601 lO кулонов. Атомный вес протона равен 1,00758, а атомный вес атома водорода 1,00814.

Нейтрон обладает массой, близкой к массе протона, но его атомный вес несколько больший-1,00898. В отличие от протона нейтрон не обладает электрическим зарядом.

Число положительных электрических зарядов, т. е. число протонов в ядре, равно атомному порядковому но.меру в системе Д. И. Менделеева. В нейтральном атоме числу протонов в ядре равно число электронов, вращающихся вокруг ядра. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом. Различные атомы с одннаковы.м числом протонов в его ядре, но с разными массовыми числами являются изотопами одного химического элемента. Большинство имеющихся в природе элементо.з представляет собой смесь двух или большего числа изотопов, однако около 20 элементов встречается в природе в виде одного изотопа. Чтобы различить между собой изотопы одного элемента, наряду с название.м или химическим символом указывают массовое число. Так, обозначают: уран-235 или Us торий-232 или Th232 JJ д Ахомы различных элементов с одинаковым массовым числом называются изобарами. В дальнейшем порядковый номер будем обозначать буквой Z, а массовое число буквой А. Очевидно, что число нейтронов в ядре равно А-Z. Линейные размеры ядра во много раз .меньше линейных размеро.? атома. Как показывают опыты, радиусы различных ядер с достаточно хорошим приближение.м описываются формулой R =

= RoV А , где Ro в зависимости от .методов определения и значения А колеблется в пределах от 1,1 10 до 1,6- \0~ см.

§ 2. ДЕФЕКТ МАССЫ И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДЕР

Так как атомные веса протона н нейтрона близки к единице, то массовое число равно ближайшему к атомному весу целому числу. В действительности разность между атомным весом и массовым числом, называемая дефектом массы, составляет примерно тысячную часть атомного веса. С первого взгляда может показаться, что атомный вес какого-либо ядра должен равняться сумме дефектов масс входящих в его состав протонов и нейтронов. На самом деле это не так. Например, атомный вес ядра Не равен 4,003325, в то время как сумма атомных весоз двух нейтронов и двух протонов, составляющих ядро атома гелия, равна 2-1,00898 + 2-1,00758 = 4,0331. В соответствии с принятым определением атомного веса дефект массы атома О равен нулю, в то время как сумма дефектов масс восьми атомоз водорода и восьми нейтронов равна 8 0,00814 + 8 0,00898=

=0,0137. Такое различие объясняется тем, что система из двух свободных протонов и двух свободных нейтронов обладает большей энергией, чем система из тех же частиц, связанных в ядре гелия, поскольку для разрушения связей при превращении ядра гелия в систему свободных нуклонов пришлось бы затрачивать энергию, т. е. сообщать энергию системе. Энергия и масса любой системы связаны соотношением

Е = тс, (1)

где Е - энергия; т- масса;

с-скорость распространения света в вакууме, равная 2,998-10 см/сек. Согласно этому соотношению, изменение массы системы на 1 г соответствует изменению энергии системы на (2,998 10 ) 9-10 эрг. Следовательно, изменение массы на одну атомную единицу массы соответствует изменению энергии на 9-1020 сл12/се/с2-1,66-10-24 2 =!,494 Ю-з эрз = 931 Жэй (см. задачу 1). На основе этого соотношения по известным атомным весам легко определить энергию связи ядер. Обозначим через Мя атомный вес ядра( в отличие от М - атомного веса нейтрального атома);те, и М - соответственно атомные веса электрона, протона и нейтрона, а энергию связи ядра, выраженную в мегаэлектронвольтах, обозначим через Е.. Тогда

Е, = [ZM + (Л - Z) M - М J 931.

Подставляя вместо М M - Zm и замечая, что Mfj = M-h т, получаем

Е, = IZM !- (Л - Z}M - М + Zm] 931

= [ZMn + (Л - Z) уИ - Ж] 931 = [Z 1,00814 +

-(Л -Z)-1,00898-М]. 931. (2а)

Таким образом, зная атомный вес данного изотопа, можно определить энергию связи ядра.

Обозначив через Л дефект массы атома (Л=УИ - Л) и подставляя вместо М в формулу (2а) Л + Д, получаем

£,-[ZДя+(Л-Z)Л -Л]931. (3)

Если в качестве нуля для эноргии системы, состоящей из Z протонов и (Л -Z) нейтронов, принять состояние, в котором все нуклоны свободны, то - энергия ядра, состоящего из этих частиц, будет равняться отрицательному значению энергии связи £я--=-с= [A + ZДя-(Л-Z)Л ] 931. (4)

Энергия ядра всегда отрицательна, иначе при таком определении нуля энергия ядра была бы больше энергии свободных



нуклонов и ядро распалось бы. Если мы поделим выражение (4) на А, то получим

А А \ Л j

7. ,

(Л -Ля)- Л 0,00084 - 0,00898

931 = 931 = 931,


50 80 100 120 АО 160 180 200 2iG ЯаасоВое числа

Рис. 1. Упаковочный коэффициент как функция массового числа

Величина -~ , представляющая co6oii энергию ядра, приходящуюся на один нуклон, находится в прямой зависимости от ве-Д

личины-, называемой упаковочным коэффициентом. Из.менение

упаковочного коэффициента в зависимости от А представлено на пис. 1.

§3. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Среди встречающихся в природе ядер не все устойчивы. Некоторые ядра являются радиоактивными, т. е. способны самопроизвольно превращаться в другие ядра. К радиоактивным превращениям относится а-распад, р±-распад, электронный захват (э. 3.) и самопроизвольное деление ядер.

Явление а-распада заключается в том, что ядро испускает а-частицу - ядро атома Не. При этом массовое число оставшегося ядра уменьшается на четыре единицы, а порядковый номер - на две единицы. Обозначив исходное и конечное ядра сим-

волами X я Y, можем записать

Z-2

5-распад связан с превращением в ядре одного нейтрона в один протон (п-р + е) с испусканием отрицательного электрона.

Если в ядре происходит превращение одного протона в нейтрон (р->-п + е+) с испусканием позитрона (положительного электрона), то такое явление называется 3+-распадом:

Превращение в ядре протона в нейтрон может происходить не только путем испускания позитрона, но и при поглощении электрона (одного из орбитальных электронов атома) р + е~->п. Такой вид превращения называется электронным захватом.

,Х +е-

г -i

При 3-распаде, при р+-распаде и при электронном захвате массовое число не меняется, а порядковый номер в первом случае увеличивается на одну единицу, а в последних двух случаях уменьшается на одну единицу.

К радиоактивным превращениям нужно также отнести и явление самопроизвольного деления, заключающееся в том, что ядро делится на два крупных осколка, представляющих собой пару ядер с массовым числом в пределах от 70 до 170 и порядковым номером в пределах от 30 до 62. Пр,и делении испускается несколько свободных нейтронов. Самопроизвольному делению подвергаются ядра самых тяжелых элементов, встречающихся в природе, - урана и тория, а также ядра более тяжелых искусственных получаемых ядер.

Поскольку радиоактивные превращения происходят са.мопро-извольно, т. е. с освобождением энергии, то масса исходного ядра должна быть больше массы продуктов реакции. Разность масс соответствует энергии превращения:

Е={М-М-М.Ш\ (6)

+ {Z + \)rn-mj.m = {М-Му)-93\; (7)

+ {Z-\)m-mJ.93\ = {M-My-2m;).9S\; (8)



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70