Мои Конспекты
Главная | Обратная связь

...

Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Феноменологічні моделі будови атомного ядра.





Помощь в ✍️ написании работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

3.1.1. Основні характеристики атомних ядер (лінійні розміри, заряд, зарядове й масове числа, спін, магнетний момент)

В дослідах Резерфорда з розсіювання a - частинок на атомах важких металів вперше було встановлено існування атомних ядер. Атомне ядро кожного хімічного елемента, як і будь-який інший матеріальний об’єкт, має ряд характерних властивостей. Серед них: електричний заряд, маса, електричний і магнетний моменти, спін та ін. Розглянемо деякі характеристики атомних ядер.

Електричний заряд є однією з найважливіших характеристик атомів і ядер. Ядро атома завжди має позитивний заряд. Носіями позитивних зарядів у ядрі є протони. Носіями негативних електричних зарядів є електрони, які рухаються на значних відстанях від ядра, утворюючи електронну хмарку. Величину електричного заряду атома визначає число протонів у ядрі і число електронів у нейтральному атомі. Заряд qs = Ze, де Z – зарядове число ядра, яке дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва.

Розподіл густини зарядів електричного заряду в ядрах вперше встановив у 1957 році Хофштадтер. Для цього були використані електрони високих енергій (до 1000 МеВ). Якщо електрон великої енергії пролітає на відстані в від ядра із зарядом Ze, то він за допомогою кулонівських сил ядра відхилиться на кут q (рис. 3.1). Можна розрахувати залежність q від в.

 

У випадку коли в = R, де R – радіус ядра, кут q = qmax. Виходячи з експериментальних даних і проведених теоретичних розрахунків класичним квантовим методами знайдено, що позитивний заряд в ядрі розподілений з однаковою густиною по об’єму ядра. Про це свідчить рис. 3.2.

Маса ядра є наступною важливою характеристикою. Практично вся маса атомного ядра збігається з масою атома, оскільки маса електронів на оболонках дуже незначна. Масу атомів, а, відповідно, і масу ядер, визначають за допомогою відхилення іонів цих атомів при їх русі в електричному й магнетному полях. Для цих цілей Астоном сконструював прилад, який називається мас-спектрометром.

Мас-спектрометр складається із джерела іонів Д, вакуумної камери і приймача іонів П ( рис. 3.3 ).

 

Іонізовані атоми попадають в поле конденсатора К, де прискорюються електричним полем

qU = , (3.1.1.1)

 

де MZ,A – маса іона; – швидкість іона; U – різниця потенціалів між пластинками конденсатора; q – заряд іона.

При відповідній швидкості іонізовані атоми влітають в область дії лише магнетного поля . В цьому випадку на такі атоми діятиме сила Лоренца

quB= . (3.1.1.2)

Виключивши з (3.1.1) і (3.1.2) швидкість іона, одержуємо

 

. (3.1.1.3)

 

Попадання в приймач П іонів можливе лише при певній напрузі між пластинками конденсатора. Іони з різною масою попадуть в приймач при різних значеннях U.

На рис. 3.4 показано спектр атомів молібдену при їх дослідженні за допомогою мас-спектрометра.

 

 

Рис. 3.4

Висота піка визначає процентний вміст даного ізотопу в природному молібдені. Окремі піки в спектрі визначають наявність окремих ізотопів. Точність мас спектроскопічних досліджень не нижче ( 10-4 – 10-3) %.

В результаті проведених досліджень встановлено, що радіус атомного ядра дорівнює:

 

R=1.2. 10-15 ·A1/3 м, (3.1.1.4)

 

де А – атомна маса ядра в атомних одиницях маси.

Знаючи середній радіус атомного ядра, можна розрахувати масову густину ядерної речовини, яка не залежить від розмірів ядра і дорівнює

(3.1.1.5)

Дослідження електричного поля ядра дали можливість зробити висновок про його форму. Встановлено, що не всі ядра є сферично-симетричними, але для всіх ядер без винятку характерна осьова симетрія. Однак відомо, що осьова симетрія можлива лише у випадках, коли ядро має сферичну форму або є еліпсоїдом обертання.

Спін ядра поряд з зарядом і масою є його найважливішою характеристикою. Спіном ядра називають його повний механічний момент, який є сумою власних механічних моментів складових

частинок ядра та їхніх орбітальних механічних моментів, зумовлених внутрішньоядерними рухами. Спін ядра залежить від його стану. Оскільки в будь-якому ядрі є Z- протонів і A - Z - нейтронів, спіни яких дорівнюють ½, то всі ядра з парним А мають цілий або нульовий спін, а ядра з непарним А мають завжди півцілий спін. В залежності від величини А ядра можуть бути або ферміонами ( А – непарне ), або бозонами ( А – парне ).

Магнетні моменти ядер визначають за допомогою явища магнетного резонансу. Суть цього явища полягає в резонансному поглинанні енергії високочастотного електромагнетного поля, яке відбувається при переорієнтації попередньо зорієнтованих за допомогою постійного магнетного поля магнетних моментів ядер. Вимірюють магнетні моменти ядер у ядерних магнетонах, які вводяться аналогічно магнетона Бора

(3.1.1.6)

де mp – маса протона; е – заряд протона; –стала Планка; гіромагнетне відношення.

Аналіз показує, що магнетні моменти ядер є дуже малими і експериментально їх важко виміряти. Це приводить до висновку, що нуклони в ядрі розміщуються так, що їхні спіни і магнетні моменти взаємно компенсуються.

 

3.1.2. Будова ядра. Нуклони, їх характеристики і взаємоперетворення. Нейтрино

Ядро складається із Z- протонів і A-Z- нейтронів. Протони і нейтрони називають ще нуклонами. Вважають, що ядерна частинка – нуклон, може бути в двох “зарядових станах”: протонному з зарядом +е і нейтронному з зарядом 0. Маси спокою цих двох станів дещо різні, що має велике значення при радіоактивних перетвореннях. Нуклони характеризуються масою, зарядом, спіном, магнетними моментами тощо.

Протон має масу mp=1.007276 a.o.м. Заряд протона позитивний, рівний заряду електрона 1,6.10-19 Кл. Спін протона півцілий, рівний ½. Магнетний момент протона де - ядерний магнетон. Спін і магнетний момент у протона орієнтовані в одному напрямі.

Перша ядерна реакція взаємодії a- частинок з ядрами азоту, в результаті якої утворились вільні протони, була здійснена Резерфордом у 1919 році.

(3.1.2.1)

Дія a- частинок на атоми азоту викликала появу нових частинок з великою проникною здатністю. Ретельне вивчення їх в електричному і магнетному полях показало, що ці частини є протонами, тобто ядрами атома водню. Пізніше Резерфорд і Чедвік показали, що крім ядер азоту протони випромінюються під дією швидких a- частинок і на ядра інших легких елементів. Проте більш важкі ядра розщепити a- частинками не вдавалось, a-частинка, попадаючи в ядро, припиняє своє існування, а замість неї вилітає протон. Імовірність попадання a - частинки в ядро атома азоту дуже мала.

Наступна частинка після електронів і протонів була ідентифікована лише у 1932 році Чедвіком. Такими частинками з масою близькою до протона і зарядом, рівним нулю, виявились нейтрони. Ефективним джерелом нейтронів є берилієва мішень, яку опромінюють a- частинками радію. Однак потужні джерела нейтронів були побудовані пізніше – ними виявились атомні реактори.

Реакцію утворення нейтронів при бомбардуванні берилію a- частинками можна записати так

 

(3.1.2.2)

 

Маса нейтрона mn = 1.0086649 а.о.м., а заряд нейтрона рівний нулю. Магнетний момент нейтрона протилежний до спіна й дорівнює де - ядерний магнетон, менший у 1840 разів за магнетон Бора. Спін нейтрона – ½.

Існують припущення, що внутрішня будова протона досить складна. Так вважається, що у протона позитивний заряд розподілений по всьому об’єму. В центральній частині протона розміщена важка серцевина (корн), в якій зосереджено біля 10% заряду. Решта заряду розміщено в середній частині й на оболонці.

У нейтрона корн і середня частина заряджені негативно, а оболонка має позитивний заряд. Позитивний і негативний заряди компенсують один одного, так що заряд нейтрона дорівнює нулю. І в протона і в нейтрона окремі частини їх будови різко не виражені, тому можна говорити про плавний розподіл їх заряду по об’єму.

Вільний протон є надзвичайно стійкою частинкою. Жодного випадку перетворення протона з вільного стану в інші частинки не зареєстровано. Вважається, що якщо такий факт перетворення протона можливий, то його імовірність близька до нуля.

Вільні нейтрони є радіоактивними. Так, середній вік життя вільного нейтрона не перевищує 11.7 хвилини.

Перетворення нейтрона в протон з виділенням b- частинки і антинейтрино можна показати за допомогою такої реакції

 

(3.1.2.3)

 

де - електрон; - антинейтрино.

Нейтрони в ядрах атомів у випадку, коли їх число близьке до числа протонів, є досить стабільними частинками. Такі елементи в таблиці Менделєєва розміщуються в середній її частині.

Якщо ядро містить надлишок протонів, то його склад може змінитись завдяки перетворенню протона в нейтрон:

 

(3.1.2.4)

 

де позитрон, античастинка до електрона; - нейтрино.

Таке перетворення протона в нейтрон може відбуватись тільки в ядрі. При цьому маса материнського ядра повинна перевищувати масу дочірнього ядра не менше ніж на дві електронні маси.

Існування таких частинок, як нейтрино й антинейтрино було передбачено Паулі ще в 1930 році. Але експериментально цей факт було підтверджено лише в 1953 році. Джерелом антинейтрино був ядерний реактор, який створював досить потужний потік цих частинок, близько 1013 частинок через площадку 1 см2 за 1 секунду. Експериментальна установка розміщувалась глибоко під землею далеко від реактора з потужним захистом від космічного випромінювання і випромінювання реактора. Реєстрація здійснювалась за допомогою рідкого сцинтилятора, який містив кадмій. Були створені всі умови для реєстрації дуже рідкісного явища взаємодії антинейтрино з протоном

(3.1.2.5)

 

Позитрон , зустрівшись з електроном сцинтилятора, анігілював на два гамма-кванти

(3.1.2.6)

 

Ця реакція давала перший спалах сцинтилятору. Після цього нейтрон в реакції (3.1.11) за малий проміжок часу сповільнювався і поглинався ядром кадмію. Ядро кадмію спочатку збуджувалось, а потім переходило в нормальний стан, випромінюючи цілий каскад гамма-квантів. Ці гамма-кванти уже давали другий спалах, який теж реєструвався сцинтилятором. Така подія повторювалась в умовах цього експерименту приблизно один раз на три години. Рейнес і Коцен – фізики, які здійснювали цей експеримент, підрахували, що реєстрація антинейтрино одне із найменш імовірних явищ ядерної фізики.

Доверь свою работу ✍️ кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой



Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.