Сопромат
Электротехника
Курсовая
Типовой
Фото
Энергетика
Геометрия
Физика

Лекции

Математика
Искусство
Контрольная

Курс

Примеры
Архитектура
На главную

Ядерная физика начало

§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и равен ≈ 10-8см. Ядро – центральная массивная часть атома, расположено в центре атома и имеет размеры ≈ 10-13¸ 10-12см (1 – 10 Фм (ферми)). Следовательно, размер ядра меньше атома в 104 – 105 раз.

Ядро состоитиз особых частиц - протонов и нейтронов. Протон имеет один элементарный  положительный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют особые (ядерные) силы, не зависящие от их электрического заряда, которые обеспечивают связь отдельных частиц с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий термин нуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, так и нейтрон.

Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Массовое число – всегда целое число.

Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z – число электронов в атоме с ядром, имеющим Z протонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Так как химические свойства элементов определяются числом электронов в атоме, то Z есть также порядковый номер или атомный номер элемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядре N = AZ.

Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

Атомы, ядра которых имеют конкретные значения А и Z, называются нуклидами. Для обозначения нуклида используют две формы записи: (А,Z) или , где Х - символ химического элемента, атомы которого имеют соответствующее ядро. Например, (12,6) или - соответствующий нуклид углерода. Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z, то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химического элемента опускают и пишут просто . Такие же обозначения используются и для ядер.

Атомы, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z, но различающиеся числом нуклонов А, называются изотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. различаются физическими свойствами. Например: изотопы водорода. 1Н - Протий (легкий водород); 2Н - дейтерий (тяжелый водород, употребляют также символ , для ядра - d); 3Н - тритий (сверхтяжелый водород, употребляют также символ , для ядра d). 233U, 235U, 238U - изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому 235U- делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом 3Н - радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z, называют изобарами. Например: 3Н и 3Не - изобары трития и гелия, 10Ве, 10В, 10С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра называют изотонами. Например, 2Н и 3Не - изотоны водорода и гелия.

Свойства ядер различных нуклидов можно систематизировать с помощью протонно-нейтронной диаграммы – таблицы, строки которой соответствуют нуклидам с одинаковым числом протонов, а столбцы – нуклидам с одинаковым числом нейтронов. На рис.1.1.1 показан принцип построения протонно-нейтронной диаграммы на примере нуклидов с легкими ядрами. Протонно-нейтронная диаграмма для всех известных нуклидов приведена на рис.1.1.2.

Отметим следующие эмпирические факты и закономерности, которые следуют из протонно-нейтронной диаграммы атомных ядер.

1. Известно 265 стабильных нуклидов, нестабильных нуклидов значительно больше, около 1700.

2. Известны нуклиды со всеми значениями Z от 0 (нейтрон) до 108. Для существующих в природе ядер Z меняется от 1 (водород) до 92 (уран). Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z = 0, 43, 61 и Z ³ 84.

3. Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных нуклидов при А =5, 8 и при А ³ 210.

4. Область нейтронной диаграмы, где располагаются β‑стабильные нуклиды (заштрихованная полоса 1 на рис.1.1.2), называется дорожкой стабильности. Легкие стабильные нуклиды (до Z ≤ 20) содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. При увеличении А относительная доля нейтронов возрастает. Например, у легкого нуклида  N/Z = 1; у среднего нуклидаN/Z= 1,15; у тяжелого нуклида N/Z = 1,59. Опережающий рост числа нейтрона при больших А вызван действием дальнодействующих кулоновских сил отталкивания протонов в ядре.

5. Большинство химических элементов имеетпо несколько стабильных иb-активных нуклидов. Некоторые элементы имеют (см. рис.1.1.1) всего по одному стабильному нуклиду (9Be, 19F, 23Na), остальные - по 2 - 3 стабильных нуклидов. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов.

6. Выше дорожки стабильности располагаются β+‑активные нуклиды, ниже – ‑активные нуклиды.

7. Свойства ядер существенно зависят от четности чисел Z и N. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют четно-четные ядра (Z – четно, N – четно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с четно-нечетным и нечетно-четным количеством нуклонов в составе ядер. И имеется всего четыре стабильных нуклида (2Н, 6Li, 10В и 14N), имеющих нечетно-нечетный состав ядер.

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). Источником света является освещенная щель S, от которой световая волна падает на две узкие щели S1 и S2, освещаемые различными участками одного и того же волнового фронта (Рис.1.5). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Р световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S. Юнг первый наблюдал осуществленное таким способом явление интерференции и первый в математически корректной форме установил принцип суперпозиции амплитуд как суть явления интерференции. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2, следовательно, фазы колебаний, пришедших от источников S1 и S2 в точку P, вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом, и получило определение как принцип суперпозиции.

  Интересно, однако, что сходный, по сути, опыт был выполнен еще в 1665 г. Гримальди, в котором отсутствовала щель S, и в качестве источника света использовались прямые солнечные лучи. Расчет показывает, что в виду значительных угловых размеров ( 0,01 рад ) Солнца при расстоянии между щелями S1 и S2 превышающем 0,05 мм интерференционная картина не возникает в виду нарушения условия пространственной когерентности: При характерной длине волны света  и получаем результат . Весьма сомнительно, чтобы Гримальди смог реализовать на практике столь незначительное расстояние между щелями.

  Остроумие установки Юнга заключается именно в том, что, внеся, казалось бы, лишний элемент – дополнительный экран с отверстием S , он сумел уменьшить угловые размеры источника света. При апертурных размерах отверстия S равных 0,1мм на расстоянии в 1 м между дополнительным экраном S и экраном с двумя щелями и получаем угловые размеры источника света, то есть отверстия S, равные .При этих условиях расстояние между щелями в 2 мм является допустимым для получения интерференционной картины.

В современных демонстрационных установках опыта Юнга в качестве источника света используют луч лазера, при этом дополнительный экран с отверстием S оказывается излишним, экран с двумя отверстиями и облучают непосредственно лучом лазера в виду его высокой пространственной когерентности. Таким образом, опыт Гримальди через три столетия состоялся, но на совершенно другом технологическом уровне. Облучение отверстий лучом лазера дает громадный выигрыш в освещенности, что позволяет использовать опыт в демонстрационных учебных установках. 

 

§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра.

Справочник