Сопромат
Электротехника
Курсовая
Типовой
Фото
Энергетика
Геометрия
Физика

Лекции

Математика
Искусство
Контрольная

Курс

Примеры
Архитектура
На главную

Ядерная физика начало

ГЛАВА 5. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР §5.1. Открытие и капельная модель

В начале 1939 г. О.Ган и Ф.Штрассман опубликовали результаты своих тщательных радиохимических исследований образца из урана после длительного облучения нейтронами. В образце были обнаружены химические элементы барий, лантан и церий, атомные массы которых существенно меньше  массы атомов урана.

Правильное объяснение этого удивительного результата, почему в облученном нейтронами образце из урана появляются относительно легкие элементы, было сразу же дано Л.Мейтнер и О.Фришем. Они выдвинули гипотезу о неустойчивости тяжелых ядер по отношению к изменению их формы, вследствие чего ядро урана при захвате нейтрона делится на два ядра, которые принято называть осколками деления. Вскоре эти предположения были неоднократно подтверждены, и стало ясно, что осуществляется новый тип ядерной реакции - реакция деления, которая может быть вызвана не только нейтронами, но также γ-квантами и заряженными частицами. Деление ядер в результате ядерной реакции называется вынужденным делением.

Год спустя, в 1940 г. советские физики Г.Флеров и К.Петржак экспериментально обнаружили явление самопроизвольного или спонтанного деления ядер урана, предсказанное Н.Бором и Д.Уиллерои и, независимо, Я.Френкелем. Спонтанное деление, в отличие от вынужденного, явилось новым типом радиоактивности, наряду с уже известными α- и β-распадами ядер. В настоящее время известно более пятидесяти спонтанно делящихся нуклидов, тяжелее тория.

Тяжелые элементы (A > 200) являются примером так называемых квазиустойчивых систем, деление которых на два осколка с близкими массами является энергетически выгодным процессом. Это следует их анализа зависимости удельной энергии связи от массового числа А ядра (рис. 1.4.2). Величина  для ядер из середины периодической системы элементов, которыми являются осколки деления, примерно на 0,8 МэВ/нуклон больше, чем для урана, а поскольку в делении участвует около 240 нуклонов, то в этом процессе должна освободиться  энергия Q  0,8x240 = 200 МэВ.

Если вспомнить, что спад правой части зависимости  обусловлен кулоновским расталкиванием протонов в ядре (кулоновские силы не насыщаются и пропорциональны Z2), то становится ясным, что деление вызвано кулоновскими, а не ядерными силами. Выигрыш в удельной энергии связи указывает на энергетическую выгодность деления всех ядер с > 100. На самом деле, однако, деление наблюдается только для самых тяжелых ядер с > 230.

В таком различии энергетической выгодности и практической возможности деления ничего удивительного нет. Причина здесь та же, что и при α-распаде тяжелых ядер – кулоновский барьер. Малая прозрачность кулоновского барьера обусловливает большое среднее  время жизни относительно α-распада. Аналогичная ситуация имеет место и при спонтанном делении ядер, только причиной возникновения энергетического барьера являются ядерные силы.

Одно из первых модельных представлений о процессе деления (1939 г., Н.Бор, Д. Уиллер, Я.Френкель) заключалось в привлечении капельной модели для анализа гипотезы Л.Мейтнер и О.Фриша о неустойчивости тяжелых ядер при изменении их формы. Напомним, что согласно капельной модели вещество ядра представляется в виде капли однородной заряженной жидкости. Энергия связи такого ядра определяется полуэмпирической формулой Вейцзеккера (2.1.1).

Ядро, захватив нейтрон, возбуждается, что вызывает колебания формы ядра. Пусть ядро начинает удлиняться вдоль одной из осей симметрии. Поверхность ядра при этом увеличивается, а его объем не изменяется из-за несжимаемости ядерной материи. Поэтому увеличивается энергия поверхностного натяжения (второй член в формуле (2.1.1)), из-за действия ядерных сил притяжения, которые препятствуют удлинению ядра. Напротив, кулоновская энергия расталкивания протонов (третий член в формуле (2.1.1)) будет убывать из-за увеличения среднего расстояния между нуклонов. Полная энергия W ядра будет увеличиваться относительно точки равновесия «а» (рис. 5.1.1) с ростом деформации ядра, которую будем характеризовать параметром деформации α.. Таким образом, ядро, по отношению к изменению своей формы, оказывается в потенциальной яме. Однако деление все-таки может происходить, да еще и с выделением энергии Q  200 МэВ, т.е. суммарная внутренняя энергия осколков должна уменьшиться (лежать ниже) относительно точки «а» на рис. 5.1.1 на величину ~ Q. Это означает, что зависимость W(α) должна достичь максимума (рис. 5.1.2), а затем монотонно убывать с ростом параметра α, который теперь имеет смысл расстояния между центрами масс осколков. Величина Qfk при α → ∞ на рис. 5.1.2 характеризует суммарную кинетическую энергию, которую приобретают осколки в результате кулоновского расталкивания.

В точке αm (рис. 5.1.2) потенциальный барьер достигает максимальной величины Wf. Величина Wf является важнейшей характеристикой делящегося ядра и называется энергетическим барьером деления. Если W1 < Wf (см. рис. 5.1.2), то параметр деформации α < αm и возникают упругие колебания формы ядра-капли, которые заканчиваются испусканием γ-кванта и ядро переходит в основное состояние. В случае, когда W2 > Wf ядро должно неизбежно разделиться, т.е. α становится больше αm. Возможные последовательные фазы вынужденной деформации можно наглядно показать на примере макроскопической капли заряженной жидкости (рис. 5.1.3).

 

 


Фактором, определяющим деление в капельной модели, является соотношение между приращениями поверхностной ΔWпов(α) и кулоновской ΔWкул(α)  энергиями в процессе деформации ядра. При малых колебаниях (α < αm, |ΔWкул(α)| < |ΔWпов(α)|) форма капли будет последовательно изменяться от почти сферической до эллипсоидальной (позиция 2 на рис. 5.1.3)  и обратно. Если параметр деформации α = αm, то |ΔWкул(α)| = |ΔWпов(α)|, что вызывает образование перетяжки (позиция 3 на рис. 5.1.3) и капля принимает форму гантели. В этом случае силы поверхностного натяжения уже не препятствуют удлинению капли, а, наоборот, способствуют обеим половинам гантели принять сферическую форму (позиция 4 на рис. 5.1.3) и действуют согласовано с кулоновскими силами расталкивания. После разделения ядра-капли на две капли поверхностная энергии не изменяется (ΔWпов(α) = 0) и образовавшиеся фрагменты будут разлетаться в противоположных направлениях (позиция 5 на рис. 5.1.3) под действием кулоновских сил.

Таким образом, процесс деления осуществится, если ядро перейдет из устойчивого состояния a на рис. 5.1.2 (фаза 1 на рис. 5.1.3) в состояние b (фаза 4 на рис. 5.1.3), преодолев потенциальный барьер.  Преодоление барьера высотой Wf, как необходимое условие деления, возможно двумя способами.

1. Надбарьерный переход, когда необходимая энергия сообщается ядру в результате ядерной реакции и возбуждаются колебания ядра с амплитудой α > αm, а необходимая энергия возбуждения образующегося промежуточного ядра W2 > Wf (см. рис. 5.1.2) привносится в ядро извне при захвате нейтрона, заряженной частицы или при передачи ядру энергии γ-кванта. Подобный механизм деления, как отмечалось выше, называется вынужденным делением.

2. Деление осуществляется подобно α-распаду при прохождении осколков деления сквозь потенциальный барьер посредством туннельного эффекта. Такая возможность носит название спонтанного деления и осуществляется у самых тяжелых ядер. Необходимая для деформации ядра энергия есть результат квантовомеханических флуктуаций, и носит виртуальный характер. Возможность спонтанного деления определяется барьерным расстоянием (расстояние между точками a и b на рис. 5.1.2), которое при заданной величине Wf барьера деления зависит, в свою очередь, от величины энергии возбуждения ядра W1.

Высота барьера деления Wf для ядра (A,Z) определяется разностью поверхностной и кулоновской энергий делящегося ядра

Wf = Wповm) - Wкулm). 

(5.1.1)

Поверхностная и кулоновская энергии ядра (A,Z) в результате малой деформации должны быть пропорциональны величинам Wпов(A,Z) и Wкул(A,Z), которые даются вторым и третьим членами формулы (2.1.1):

Wпов(α) = Wпов(A,Z)·φ(α) = a2A2/3 φ(α) ,

(5.1.2)

Wкул(α) = Wкул(A,Z)·ψ(αa3 (Z2/A1/3) ψ(α.

(5.1.3)

Энергетический барьер Wf обращается в нуль, если

Wпов(a = αm) = Wкул(а = αm), 

(5.1.4)

Откуда, с учетом (5.1.2) и (5.1.3), получим

.

(5.1.5)

Оценка величины отношения φm)/ ψm) по капельной модели дает величину, равную 2. В зависимости от оценок величин коэффициентов а2 и а3 в формуле Вейцзеккера (2.1.1) равенство (5.1.5) будет иметь вид:

.

(5.1.6)

Деление образовавшегося ядра, если выполняется условия (5.1.6) будет происходить мгновенно (за время ~ 1023c).

Отношение Z2/называется параметром делимости, а его величина определяет вероятность спонтанного деления. Чем меньше параметр делимости, тем меньше, как правило, вероятность спонтанного деления. Данные, представленные в таблице 5.1.1, иллюстрируют подобную тенденцию.

Таблица 5.1.1.

Нуклид

232Th

238U

240Pu

244Cm

252Cf

256Fm

Z2/A

35

35,6

36,8

37,8

38,1

39

T1/2, лет

1,4·1021

8,1·1015

1,2·1011

1,3·107

85,4

2,7 час

Для того, чтобы ядро с Z2/< 45 разделилось быстро, т.е. надбарьерным путем, в ядро должна быть, как указано выше, внесена энергия возбуждения, превышающая барьер деления Wf .

Энергия молекулы

Е ≈ Еэл + Екол + Евращ,

(13.45)

где Еэл — энергия движения электронов относительно ядер; Екол — энергия колебаний ядер (в результате которых периодически изменяется относительное положение ядер); Евращ — энергия вращения ядер (в результате которых периодически изменяется ориентация молекулы в пространстве).

В формуле (13.45) не учтены энергия поступательного движения центра масс молекул и энергия ядер атомов в молекуле. Первая из них не квантуется, поэтому ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, а вторую можно не учитывать, если не рассматривать сверхтонкую структуру спектральных линий.

Доказано, что Еэл >> Екол >> Евращ, при этом Еэл ≈ 1 – 10 эВ. Каждая из входящих в выражение (13.45) энергий квантуется и им соответствует набор дискретных уровней энергии. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается или испускается энергия ΔЕ = hν. Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии Δ Евращ гораздо меньше расстояния между колебательными уровнями Δ Екол, которое, в свою очередь, меньше расстояния между электронными уровнями Δ Еэл. На рис. 13.9 схематически представлены уровни энергии двухатомной молекулы (для примера рассмотрены только два электронных уровня — показаны жирными линиями).

Рис. 13.9.

Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах - спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Спектр излучения молекулы определяется структурой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора (например, изменение квантовых чисел, соответствующих как колебательному, так и вращательному движению, должно быть равно ± 1). При разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, могут соответствовать переходам с одного электронною уровня на другой (электронные спектры) или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой [колебательные (вращательные) спектры].

Кроме того, возможны и переходы с одними значениями Екол и Евращ на уровни, имеющие другие значения всех трех компонентов, в результате чего возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры. Поэтому спектр молекул довольно сложный.

Типичные молекулярные спектры - полосатые, представляют собой совокупность более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Применяя спектральные приборы высокой разрешающей способности, можно видеть, что полосы представляют собой настолько тесно расположенные линии, что они с трудом разрешаются.

Структура молекулярных спектров различна для разных молекул и с увеличением числа атомов в молекуле усложняется (наблюдаются лишь сплошные широкие полосы). Колебательными и вращательными спектрами обладают только многоатомные молекулы, а двухатомные их не имеют. Это объясняется тем, что двухатомные молекулы не имеют дипольных моментов (при колебательных и вращательных переходах отсутствует изменение дипольного момента, что является необходимым условием отличия от нуля вероятности перехода).

 Молекулярные спектры применяются для исследования строения и свойств молекул, используются в молекулярном спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т.д.

13.9. Магнитный момент атома. Опыт Штерна и Герлаха

Орбитальный магнитный момент. В квантовой теории магнитный момент μ и механический момент М атома следует заменить операторами  и :

(13.46)

Отсюда следует, что изучение свойств магнитного момента электрона сводится к изучению свойств операторов  и . А так как операторы  и ,  и  отличаются друг от друга только постоянным множителем, то их свойства совершенно аналогичны: магнитный и механический моменты квантуются по одинаковым правилам.

В стационарном состоянии определенные значения могут иметь только модуль магнитного момента  и одна из его проекций на произвольную ось Z. Имея в виду (13.46), а также (13.34) и (13.36), запишем собственные значения операторов  и :

 L = 0, 1, 2, ...

(13.47)

μLz = -μБ mL, mL = 0, ± 1, ± 2, …, ± L,

(13.48)

где μБ — магнетон Бора: μБ = eћ/2mc. Он играет роль кванта магнитного момента (точнее его проекции μz).

Опыты Штерна и Герлаха. Наличие у атомов магнитных моментов и их квантование было доказано экспериментально Штерном и Герлахом (1921). В их опытах пучок атомов пропускался сквозь сильно неоднородное поперечное магнитное поле (рис. 13.10, а). Необходимая степень неоднородности поля достигалась с помощью специальной формы полюсных наконечников N и S электромагнита (рис. 13.10, б). После прохождения магнитного поля пучок атомов попадал на фотопластинку Р и оставлял на ней след.

 а)

Рис. 13.10.

 Если атомы обладают магнитным моментом, то согласно электродинамике на них будет действовать сила, проекция которой на ось Z (см. рис. 13.10, б)

(13.49)

где μz — проекция магнитного момента атома на ось Z. Из этой формулы видно, что для получения необходимого эффекта при малых значениях μz нужно обеспечить достаточно большую не­однородность поля, т. е. ∂Bz/∂z. Это и достигалось с помощью указанной формы полюсных наконечников.

 

ГЛАВА 5. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР §5.1. Открытие и капельная модель

Справочник