Атомното ядро, състоящо се от определен брой протони и неутрони, е едно цяло поради специфичните сили, които действат между нуклоните на ядрото и се наричат ядрен.Експериментално е доказано, че ядрените сили са много големи, далеч надвишаващи силите на електростатично отблъскване между протоните. Това се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото е много по-голяма от работата на кулоновите сили на отблъскване. Нека разгледаме основните характеристики на ядрените сили.
1. Ядрените сили са привличащи сили на къси разстояния . Те се появяват само на много малки разстояния между нуклони в ядрото от порядъка на 10 -15 м. Разстоянието от порядъка на (1,5 - 2,2) 10 -15 m се нарича радиус на действие на ядрените сили, с увеличаването му, ядрените сили бързо намаляват. На разстояние от порядъка на (2-3) m ядреното взаимодействие между нуклоните практически отсъства.
2. Ядрените сили имат свойството насищане, тези. всеки нуклон взаимодейства само с определен брой най-близки съседи. Този характер на ядрените сили се проявява в приблизителното постоянство на специфичната енергия на свързване на нуклони при зарядно число А>40. Всъщност, ако нямаше насищане, тогава специфичната енергия на свързване би се увеличила с увеличаване на броя на нуклоните в ядрото.
3. Характеристика на ядрените сили е и тяхната таксуване независимост , т.е. те не зависят от заряда на нуклоните, така че ядрените взаимодействия между протони и неутрони са еднакви. Независимостта на заряда на ядрените сили се вижда от сравнение на свързващите енергии огледални ядра . Така наречените ядра, в които общият брой нуклони е еднакъв, но броят на протоните в едното е равен на броя на неутроните в другия. Например, енергията на свързване на ядрата на хелия и тежкия водород - тритий е съответно 7,72 MeVи 8.49 MeV. Разликата в енергиите на свързване на тези ядра, равна на 0,77 MeV, съответства на енергията на кулоновото отблъскване на два протона в ядрото. Ако приемем, че тази стойност е равна на , можем да открием, че средното разстояние rмежду протоните в ядрото е 1,9·10 -15 m, което е в съответствие с радиуса на действие на ядрените сили.
4. Ядрени сили не са централни и зависят от взаимната ориентация на спиновете на взаимодействащите нуклони. Това се потвърждава от различното естество на разсейване на неутрони от орто- и пара-водородни молекули. В молекулата на ортоводорода спиновете на двата протона са успоредни един на друг, докато в параводородната молекула те са антипаралелни. Експериментите показват, че разсейването на неутроните от параводорода е 30 пъти по-голямо от разсейването на ортоводорода.
Сложната природа на ядрените сили не позволява разработването на единна последователна теория за ядреното взаимодействие, въпреки че са предложени много различни подходи. Според хипотезата на японския физик Х. Юкава, която той предлага през 1935 г., ядрените сили се дължат на обмяната – мезони, т.е. елементарни частици, чиято маса е приблизително 7 пъти по-малка от масата на нуклоните. Според този модел, нуклон във времето 
м- масата на мезона) излъчва мезон, който, движейки се със скорост, близка до скоростта на светлината, изминава разстояние 
, след което се абсорбира от втория нуклон. От своя страна вторият нуклон също излъчва мезон, който се абсорбира от първия. Следователно в модела на Х. Юкава разстоянието, на което нуклоните си взаимодействат, се определя от дължината на пътя на мезона, която съответства на разстояние от около ми съвпада по порядък с радиуса на действие на ядрените сили.
Нека се обърнем към разглеждането на обменното взаимодействие между нуклоните. Има положителни, отрицателни и неутрални мезони. Модулът на заряда на - или - мезони е числено равен на елементарния заряд д. Масата на заредените мезони е еднаква и равна на (140 MeV), масата на мезона е 264 (135 MeV). Спинът и на заредените, и на неутралните мезони е 0. И трите частици са нестабилни. Животът на - и - мезоните е 2,6 С, - мезон – 0,8 10 -16 С. Взаимодействието между нуклони се осъществява по една от следните схеми:
(22.7)
1. Нуклони обменят мезони:
В този случай протонът излъчва - мезон, превръщайки се в неутрон. Мезонът се абсорбира от неутрона, който впоследствие се превръща в протон, след което същият процес протича в обратна посока. Така всеки от взаимодействащите нуклони прекарва част от времето в заредено състояние, а част в неутрално състояние.
2. Обмен на нуклони - мезони:
3. Обмен на нуклони - мезони:
. (22.10)
Всички тези процеси са доказани експериментално. По-специално, първият процес се потвърждава, когато неутронен лъч преминава през водород. В лъча се появяват движещи се протони, а в целта се намира съответният брой практически покойни неутрони.
модели на ядрото.Липсата на математически закон за ядрените сили не позволява създаването на единна теория за ядрото. Опитите за създаване на подобна теория срещат сериозни затруднения. Ето някои от тях:
1. Недостатъчно познаване на силите, действащи между нуклони.
2. Изключителната тромавост на квантовия проблем с много тела (ядро с масово число Ае система от Атела).
Тези трудности ни принуждават да следваме пътя на създаване на ядрени модели, които позволяват да се опише определен набор от свойства на ядрото с помощта на сравнително прости математически средства. Нито един от тези модели не може да даде абсолютно точно описание на ядрото. Следователно трябва да се използват няколко модела.
Под модел на ядрото в ядрената физика разбират съвкупността от физически и математически предположения, с които можете да изчислите характеристиките на ядрена система, състояща се от Ануклони. Предложени и разработени са много модели с различна степен на сложност. Ще разгледаме само най-известните от тях.
Хидродинамичен (капков) модел на ядротое разработена през 1939 г. Н. Бор и съветският учен Й. Френкел. Основава се на предположението, че поради високата плътност на нуклоните в ядрото и изключително силното взаимодействие между тях, независимото движение на отделните нуклони е невъзможно и ядрото е капка заредена течност с плътност . Както в случая на обикновена капка течност, повърхността на ядрото може да осцилира. Ако амплитудата на трептене стане достатъчно голяма, настъпва процесът на ядрено делене. Капковият модел позволи да се получи формула за енергията на свързване на нуклони в ядрото и обясни механизма на някои ядрени реакции. Този модел обаче не позволява да се обяснят повечето от спектрите на възбуждане на атомните ядра и специалната стабилност на някои от тях. Това се дължи на факта, че хидродинамичният модел много приблизително отразява същността на вътрешната структура на ядрото.
Shell модел на ядрото разработени през 1940-1950 г. от американския физик М. Гьоперт - Майер и немския физик Х. Йенсен. Предполага се, че всеки нуклон се движи независимо от останалите в определено средно потенциално поле (потенциална яма, създадена от останалите нуклони на ядрото. В рамките на модела на обвивката функцията не се изчислява, а се избира така, че най-доброто съгласие с експерименталните данни може да се постигне.
Дълбочината на потенциалния кладенец обикновено е ~ (40-50) MeVи не зависи от броя на нуклоните в ядрото. Според квантовата теория нуклоните в полето са на определени дискретни енергийни нива. Основното предположение на създателите на модела на обвивката за независимото движение на нуклони в средното потенциално поле е в противоречие с основните положения на разработчиците на хидродинамичния модел. Следователно характеристиките на ядрото, които са добре описани от хидродинамичния модел (например стойността на енергията на свързване), не могат да бъдат обяснени в рамките на модела на черупката и обратно.
Обобщен модел на ядрото , разработена през 1950-1953 г., съчетава основните положения на създателите на хидродинамичните и корпусните модели. В обобщения модел се приема, че ядрото се състои от вътрешна стабилна част - ядро, което е образувано от нуклони на запълнени обвивки, и външни нуклони, движещи се в полето, създадено от нуклоните на ядрото. В тази връзка движението на ядрото се описва от хидродинамичния модел, докато движението на външните нуклони се описва от модела на обвивката. Поради взаимодействието с външни нуклони, ядрото може да се деформира и ядрото може да се върти около ос, перпендикулярна на оста на деформация. Обобщеният модел даде възможност да се обяснят основните характеристики на ротационните и вибрационните спектри на атомните ядра, както и високите стойности на квадруполния електрически момент за някои от тях.
Разгледахме основните феноменологични, т.е. описателни, основни модели. Въпреки това, за да се разбере напълно естеството на ядрените взаимодействия, които определят свойствата и структурата на ядрото, е необходимо да се създаде теория, в която ядрото да се разглежда като система от взаимодействащи нуклони.
Атомното ядро, състоящо се от определен брой протони и неутрони, е едно цяло поради специфичните сили, които действат между нуклоните на ядрото и се наричат ядрен.Експериментално е доказано, че ядрените сили са много големи, далеч надвишаващи силите на електростатично отблъскване между протоните. Това се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото е много по-голяма от работата на кулоновите сили на отблъскване. Помислете за основното характеристики на ядрените сили.
1. Ядрените сили са привличащи сили на къси разстояния . Те се появяват само на много малки разстояния между нуклони в ядрото от порядъка на 10–15 m. Разстояние от порядъка на (1,5–2,2) 10–15 m се нарича обхват на ядрени сили, с нарастването му ядрените сили бързо намаляват. На разстояние от порядъка на (2-3) m ядреното взаимодействие между нуклоните практически отсъства.
2. Ядрените сили имат свойството насищане, тези. всеки нуклон взаимодейства само с определен брой най-близки съседи. Този характер на ядрените сили се проявява в приблизителното постоянство на специфичната енергия на свързване на нуклони при зарядно число А>40. Всъщност, ако нямаше насищане, тогава специфичната енергия на свързване би се увеличила с увеличаване на броя на нуклоните в ядрото.
3. Характеристика на ядрените сили е и тяхната таксуване независимост , т.е. те не зависят от заряда на нуклоните, така че ядрените взаимодействия между протони и неутрони са еднакви. Независимостта на заряда на ядрените сили се вижда от сравнение на свързващите енергии огледални ядра . Така наречените ядра, в които общият брой нуклони е еднакъв, но броят на протоните в едното е равен на броя на неутроните в другия. Например, енергията на свързване на ядрата на хелия и тежкия водород - тритий е съответно 7,72 MeVи 8.49 MeV. Разликата в енергиите на свързване на тези ядра, равна на 0,77 MeV, съответства на енергията на кулоновото отблъскване на два протона в ядрото. Ако приемем, че тази стойност е равна на , можем да открием, че средното разстояние rмежду протоните в ядрото е 1,9·10 -15 m, което е в съответствие с радиуса на действие на ядрените сили.
4. Ядрени сили не са централни и зависят от взаимната ориентация на спиновете на взаимодействащите нуклони. Това се потвърждава от различното естество на разсейване на неутрони от орто- и пара-водородни молекули. В молекулата на ортоводорода спиновете на двата протона са успоредни един на друг, докато в параводородната молекула те са антипаралелни. Експериментите показват, че разсейването на неутроните от параводорода е 30 пъти по-голямо от разсейването на ортоводорода.
Сложната природа на ядрените сили не позволява разработването на единна последователна теория за ядреното взаимодействие, въпреки че са предложени много различни подходи. Според хипотезата на японския физик Х. Юкава (1907-1981), която той предлага през 1935 г., ядрените сили се дължат на обмен – мезони, т.е. елементарни частици, чиято маса е приблизително 7 пъти по-малка от масата на нуклоните. Според този модел, нуклон във времето 
м- масата на мезона) излъчва мезон, който, движейки се със скорост, близка до скоростта на светлината, изминава разстояние 
, след което се абсорбира от втория нуклон. От своя страна вторият нуклон също излъчва мезон, който се абсорбира от първия. Следователно в модела на Х. Юкава разстоянието, на което нуклоните си взаимодействат, се определя от дължината на пътя на мезона, която съответства на разстояние от около ми съвпада по порядък с радиуса на действие на ядрените сили.
Нека се обърнем към разглеждането на обменното взаимодействие между нуклоните. Има положителни, отрицателни и неутрални мезони. Модулът на заряда на - или - мезони е числено равен на елементарния заряд д
. Масата на заредените мезони е еднаква и равна на (140 MeV), масата на мезона е 264 (135 MeV). Спинът и на заредените, и на неутралните мезони е 0. И трите частици са нестабилни. Животът на - и - мезоните е 2,6 С, - мезон – 0,8 10 -16 С. Взаимодействието между нуклони се осъществява по една от следните схеми:
1. Нуклони обменят мезони: . (22,8)
В този случай протонът излъчва - мезон, превръщайки се в неутрон. Мезонът се абсорбира от неутрона, който впоследствие се превръща в протон, след което същият процес протича в обратна посока. Така всеки от взаимодействащите нуклони прекарва част от времето в заредено състояние, а част в неутрално състояние.
2. Обмен на нуклони - мезони:
3. Обмен на нуклони - мезони:
, (22.10)
Всички тези процеси са доказани експериментално. По-специално, първият процес се потвърждава, когато неутронен лъч преминава през водород. В лъча се появяват движещи се протони, а в целта се намира съответният брой практически покойни неутрони.
модели на ядрото.Под модел на ядрото в ядрената физика разбират съвкупността от физически и математически предположения, с които можете да изчислите характеристиките на ядрена система, състояща се от Ануклони.
Хидродинамичен (капков) модел на ядротоТя се основава на предположението, че поради високата плътност на нуклоните в ядрото и изключително силното взаимодействие между тях, независимото движение на отделните нуклони е невъзможно и ядрото е капка заредена течност с плътност 
.
Shell модел на ядротоПредполага се, че всеки нуклон се движи независимо от другите в някакво средно потенциално поле (потенциална ямка), създадено от останалите нуклони на ядрото.
Обобщен модел на ядрото, съчетава основните положения на създателите на хидродинамичните и обвивните модели. В обобщения модел се приема, че ядрото се състои от вътрешна стабилна част - ядро, което е образувано от нуклони на запълнени обвивки, и външни нуклони, движещи се в полето, създадено от нуклоните на ядрото. В тази връзка движението на ядрото се описва от хидродинамичния модел, докато движението на външните нуклони се описва от модела на обвивката. Поради взаимодействието с външни нуклони, ядрото може да се деформира и ядрото може да се върти около ос, перпендикулярна на оста на деформация.
26. Реакции на делене на атомни ядра. Ядрена енергия.
Ядрени реакциинаречени трансформации на атомни ядра, причинени от взаимодействието им помежду си или с други ядра или елементарни частици. Първото съобщение за ядрена реакция принадлежи на Е. Ръдърфорд. През 1919 г. той открива, че когато - частиците преминават през азотен газ, част от тях се абсорбират и в същото време се излъчват протони. Ръдърфорд стига до заключението, че азотните ядра се превръщат в кислородни ядра в резултат на ядрена реакция под формата:
, (22.11)
където − - частица; − протон (водород).
Важен параметър на ядрена реакция е нейната енергийна мощност, която се определя по формулата:
(22.12)
Ето и сумите от масите на покой на частиците преди и след реакцията. Когато ядрените реакции протичат с поглъщане на енергия, те се наричат ендотермичен, и при - с освобождаването на енергия. В този случай те се наричат екзотермичен.
Във всяка ядрена реакция винаги има закони за опазване :
− електрически заряд;
− брой нуклони;
− енергия;
− импулс.
Първите два закона позволяват правилното записване на ядрените реакции дори когато една от частиците, участващи в реакцията, или един от нейните продукти е неизвестен. Използвайки законите за запазване на енергията и импулса, може да се определи кинетичната енергия на частиците, които се образуват по време на реакцията, както и посоката на тяхното последващо движение.
За да се характеризират ендотермичните реакции, се въвежда понятието прагова кинетична енергия , или праг на ядрена реакция , тези. най-малката кинетична енергия на падаща частица (в референтната система, където целевото ядро е в покой), при която става възможна ядрена реакция. От закона за запазване на енергията и импулса следва, че праговата енергия на ядрена реакция се изчислява по формулата:
. (22.13)
Ето енергията на ядрената реакция (7.12); -маса на неподвижното ядро - мишена; е масата на частицата, падаща върху ядрото.
реакции на делене. През 1938 г. немските учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, понякога се появяват ядра, които са приблизително наполовина по-малки от първоначалното ураново ядро. Това явление е наречено ядрено делене.
Той представлява първата експериментално наблюдавана реакция на ядрени трансформации. Пример е една от възможните реакции на ядрено делене на уран-235:
Процесът на ядрено делене протича много бързо за време от ~10 -12 s. Енергията, която се освобождава по време на реакция като (22.14), е приблизително 200 MeV на акт на делене на ядрото на уран-235.
В общия случай реакцията на делене на ядрото на уран-235 може да се запише като:
+неутрони .
(22.15)
Механизмът на реакцията на делене може да бъде обяснен в рамките на хидродинамичния модел на ядрото. Според този модел, когато един неутрон се абсорбира от ядро на уран, той преминава във възбудено състояние (фиг. 22.2).
Излишната енергия, която ядрото получава в резултат на поглъщането на неутрон, причинява по-интензивно движение на нуклони. В резултат на това ядрото се деформира, което води до отслабване на ядреното взаимодействие на къси разстояния. Ако енергията на възбуждане на ядрото е по-голяма от някаква енергия, наречена енергия на активиране , тогава под въздействието на електростатичното отблъскване на протоните, ядрото се разделя на две части, с излъчването неутрони на делене . Ако енергията на възбуждане при поглъщане на неутрон е по-малка от енергията на активиране, тогава ядрото не достига
критичен етап на делене и след като е излъчил квант, се връща към главния
Между нуклоните, които съставляват ядрото, действат ядрени сили , което значително надвишава кулоновските отблъскващи сили между протоните. От гледна точка на полевата теория на елементарните частици, ядрените сили са главно сили на взаимодействие на магнитни полета на нуклони в близката зона. На големи разстояния потенциалната енергия на такова взаимодействие намалява по закон 1/r 3 – това обяснява техния късодействащ характер. На разстояние (3 ∙10 -13 cm) ядрените сили стават доминиращи, а на разстояние по-малко от (9,1 ∙10 -14 cm) те се превръщат в още по-мощни отблъскващи сили.
ядрени сили са къс обхват сили. Те се появяват само на много малки разстояния между нуклони в ядрото от порядъка на 10–15 m. Дължината (1,5–2,2) 10–15 m се нарича обхват на ядрени сили.
Ядрените сили откриват таксуване независимост : привличането между два нуклона е еднакво независимо от зарядното състояние на нуклоните - протон или неутрон. Независимостта на заряда на ядрените сили се вижда от сравнение на свързващите енергии огледални ядра . Как се наричат ядрата?,в който общият брой нуклони е еднакъв,но броят на протоните в единия е равен на броя на неутроните в другия. Например, ядра на хелий и тежък водород - тритий. Енергиите на свързване на тези ядра са 7,72 MeV и 8,49 MeV.
Разликата в енергиите на свързване на ядрата, равна на 0,77 MeV, съответства на енергията на кулоновото отблъскване на два протона в ядрото.
Ядрените сили имат свойство на насищане , което се проявява в, че нуклонът в ядрото взаимодейства само с ограничен брой съседни нуклони, които са най-близо до него. Ето защо има линейна зависимост на енергиите на свързване на ядрата от масовите им числа А. Почти пълно насищане на ядрените сили се постига в α-частицата, която е много стабилна формация.
Ядрените сили зависят от ориентации на въртене взаимодействащи нуклони. Това се потвърждава от различния характер на разсейване на неутрони от орто- и пара-водородни молекули. В молекулата на ортоводорода спиновете на двата протона са успоредни един на друг, докато в параводородната молекула те са антипаралелни. Експериментите показват, че разсейването на неутроните от параводорода е 30 пъти по-голямо от разсейването на ортоводорода. ядрени сили не са централни.
Взаимодействието между нуклони възниква в резултат на излъчване и поглъщане на кванти на ядреното поле – π- мезони . Те определят ядреното поле по аналогия с електромагнитното поле, което възниква в резултат на обмена на фотони.
Енергия на връзката
Силата на ядрата се характеризира с енергията на свързване. Големината на енергията на свързване е равна на работата, която трябва да се изразходва, за да се разруши ядрото в съставните му нуклони, без да им се придаде кинетична енергия . Същото количество енергия се отделя при образуването на ядро от нуклони. Ядрената свързваща енергия е разликата между енергията на всички свободни нуклони, които съставляват ядрото, и тяхната енергия в ядрото.
Когато се образува ядро, масата му намалява: масата на ядрото е по-малка от сумата от масите на съставящите го нуклони. Намаляването на масата на ядрото по време на образуването му се обяснява с освобождаването на енергия на свързване. Количеството енергия, съдържащо се в материята, е пряко свързано с нейната маса чрез връзката на Айнщайн
E=mc2 .
V Според тази връзка масата и енергията са различни форми на едно и също явление. Нито масата, нито енергията изчезват, но при подходящи условия преминаватедин вид към друг, т.е. всяка промяна в масата мсистема съответства на еквивалентната промяна в нейната енергия Е.
Разликата между сумата от масите на свободните нуклони и масата на ядрото се нарича масов дефект атомно ядро. Ако ядрото с маса м образувано от З протони с маса м стр и от (А - Я) неутрони с маса m n , след това дефектът на масата Δ м се определя от отношението
Когато от частици се образува ядро, последните, поради действието на ядрени сили на малки разстояния, се втурват с голямо ускорение един към друг. Гама лъчите, излъчвани в този случай, просто имат енергия Е Св. и тегло м .
Чрез дефекта на масата, използвайки уравнението на Айнщайн ( E \u003d mc 2 ) е възможно да се определи енергията, освободена в резултат на образуването на ядрото, т.е. енергия на връзката (E cv ):
E cv = Δ м в 2
Енергията на свързване на нуклон (т.е. общата енергия на свързване, разделена на броя на нуклоните в ядрото) се нарича специфична енергия на свързване :
Колкото по-голяма е абсолютната стойност на специфичната енергия на свързване, толкова по-силно е взаимодействието между нуклоните и толкова по-силно е ядрото. Най-високата енергия на свързване на нуклон, около 8,75 MeV, е присъща на елементите от средната част на периодичната таблица.
Ядрени спектри
Атомното ядро, подобно на други обекти от микросвета, е квантова система. Това означава, че теоретичното описание на неговите характеристики изисква участието на квантовата теория. В квантовата теория описанието на състоянията на физическите системи се основава на вълнови функции,или амплитуди на вероятносттаψ(α,t). Квадратът на модула на тази функция определя плътността на вероятността за откриване на изследваната система в състояние с характеристика α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2. Аргументът на вълновата функция може да бъде например координатите на частицата.
Квантовата природа на атомните ядра се проявява в моделите на техните спектри на възбуждане. Ядрата имат дискретни спектри на възможни енергийни състояния. По този начин квантуването на енергията и редица други параметри е свойство не само на атомите, но и на атомните ядра. Нарича се състоянието на атомното ядро с минимално количество енергия главен, или нормални, състояния с излишна енергия (в сравнение с основното състояние) се наричат възбуден .
Спектър от състояния на ядрото 12 С
Обикновено атомите са във възбудени състояния за около 10 -8 секунди, а възбудените атомни ядра се освобождават от излишната енергия за много по-кратко време - около 10 -15 - 10 -16 секунди. Подобно на атомите, възбудените ядра се освобождават от излишната енергия чрез излъчване на кванти на електромагнитно излъчване. Тези кванти се наричат гама кванти (или гама лъчи). Дискретен набор от енергийни състояния на атомното ядро съответства на дискретен спектър от честоти, излъчвани от тях гама лъчи.
Много модели в ядрените спектри могат да бъдат обяснени с помощта на така наречения модел на обвивката на структурата на атомното ядро. Според този модел нуклоните в ядрото не се смесват в безпорядък, а като електроните в атома са подредени в свързани групи, запълвайки разрешените ядрени обвивки. В този случай протонната и неутронната обвивки се запълват независимо една от друга. Максималният брой неутрони: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 и протоните: 2, 8, 20, 28, 50, 82 в пълни черупки се наричат магия. Ядрата с магически числа на протони и неутрони имат много забележителни свойства: повишена стойност на специфичната енергия на свързване, по-ниска вероятност за влизане в ядрено взаимодействие, устойчивост на радиоактивен разпад и т.н. "Двойна магия" са например ядрата 4 Той, 16 О, 28 Si. Именно поради тяхната особено висока стабилност тези ядра са най-разпространени в природата.
Преходът на ядрото от основно състояние към възбудено състояние и връщането му в основно състояние, от гледна точка на модела на обвивката, се обяснява с прехода на нуклона от една обвивка в друга и обратно.
Спонтанни преходи на ядра от по-високи възбудени състояния отделен спектърът на ядрото до по-ниски (включително основното състояние) се реализират, като правило, чрез излъчване на γ-кванти, т.е. за сметка електромагнитни взаимодействия. В областта на високи енергии на възбуждане, когато E > E ot, ширините на нивата на възбуденото ядро се увеличават рязко. Факт е, че при отделянето на нуклона от ядрото основна роля играят ядрените сили - т.е. силни взаимодействия.Вероятността за силни взаимодействия е с порядък по-висока от вероятността за електромагнитни, следователно широчините на разпада за силни взаимодействия са големи и нивата на ядрените спектри в областта E > E sep се припокриват - спектърът на ядрото става непрекъснат. Основният механизъм за разпадане на силно възбудени състояния от този енергиен диапазон е излъчването на нуклони и клъстери (α-частици и деутрони). Излъчването на γ-кванти в тази област с високи енергии на възбуждане E > E, съответно, се случва с по-ниска вероятност от излъчването на нуклони. Възбуденото ядро има, като правило, няколко пътя, или канали, разпад.
Огромната енергия на свързване на нуклоните в ядрото показва, че има много интензивно взаимодействие между нуклоните. Това взаимодействие има характер на привличане. Той поддържа нуклоните на разстояние cm един от друг, въпреки силното кулоново отблъскване между протоните. Ядреното взаимодействие между нуклоните се нарича силно взаимодействие. Може да се опише с полето на ядрените сили. Нека изброим отличителните черти на тези сили.
1. Ядрените сили са с малък обсег. Обхватът им е от порядъка на . На разстояния много по-малки от , привличането на нуклоните се заменя с отблъскване.
2. Силното взаимодействие не зависи от заряда на нуклоните. Ядрените сили, действащи между два протона, един протон и неутрон и два неутрона, са с еднаква величина. Това свойство се нарича зарядна независимост на ядрените сили.
3. Ядрените сили зависят от взаимната ориентация на спиновете на нуклона. Така, например, неутрон и протон се държат заедно, образувайки тежко водородно ядро деутрон (или деутерон) само в това. ако завъртанията им са успоредни едно на друго.
4. Ядрените сили не са централни. Те не могат да бъдат представени като насочени по права линия, свързваща центровете на взаимодействащите нуклони. Нецентралността на ядрените сили следва по-специално от факта, че те зависят от ориентацията на завъртанията на нуклона.
5. Ядрените сили имат свойството на насищане (това означава, че всеки нуклон в ядрото взаимодейства с ограничен брой нуклони). Насищането се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото не се увеличава с увеличаване на броя на нуклоните, а остава приблизително постоянна. В допълнение, насищането на ядрените сили се показва и от пропорционалността на обема на ядрото на броя на нуклоните, които го образуват (вижте формула (66.8)).
Според съвременните концепции силното взаимодействие се дължи на факта, че нуклоните на практика обменят частици, наречени мезони. За да разберем същността на този процес, нека първо разгледаме как изглежда електромагнитното взаимодействие от гледна точка на квантовата електродинамика.
Взаимодействието между заредените частици се осъществява чрез електромагнитно поле. Знаем, че това поле може да бъде представено като колекция от фотони.
Според концепциите на квантовата електродинамика процесът на взаимодействие между две заредени частици, като електроните, се състои в обмяна на фотони. Всяка частица създава поле около себе си, като непрекъснато излъчва и поглъща фотони. Действието на полето върху друга частица се проявява в резултат на нейното поглъщане на един от фотоните, излъчени от първата частица. Такова описание на взаимодействието не може да се приема буквално. Фотоните, чрез които се осъществява взаимодействието, не са обикновени реални фотони, а виртуални. В квантовата механика частиците се наричат виртуални, ако не могат да бъдат открити през целия им живот. В този смисъл виртуалните частици могат да се нарекат въображаеми.
За да разберете по-добре значението на термина "виртуален", помислете за електрон в покой. Процесът на създаване на поле в околното пространство може да бъде представен с уравнението
Общата енергия на фотон и електрон е по-голяма от енергията на електрон в покой. Следователно трансформацията, описана с уравнение (69.1), е придружена от нарушение на закона за запазване на енергията. За виртуален фотон обаче това нарушение е очевидно. Според квантовата механика енергията на състояние, което съществува във времето, се определя само с точност, която удовлетворява отношението на неопределеността:
(виж формула (20.3)). От тази връзка следва, че енергията на системата може да претърпи отклонения AE, чиято продължителност не трябва да надвишава стойността, определена от условие (69.2). Следователно, ако виртуален фотон, излъчван от електрон, се абсорбира от същия или друг електрон преди изтичането на времето (където ), тогава нарушението на вакона за запазване на енергията не може да бъде открито.
Когато на електрон се даде допълнителна енергия (това може да се случи, например, когато той се сблъска с друг електрон), може да бъде излъчен реален фотон вместо виртуален, който може да съществува неограничено време.
За времето, определено от условието (69.2), виртуален фотон може да прехвърли взаимодействието между точки, разделени от разстояние
Енергията на фотоните може да бъде произволно малка (честотата варира от 0 до ). Следователно обхватът на магнитните сили на електрода е неограничен.
Ако частиците, обменени от взаимодействащите електрони, имат маса, различна от нула, тогава радиусът на действие на съответните сили ще бъде ограничен от стойността
където е дължината на вълната на Комптон на дадена частица (виж (11.6)). Приехме, че частицата - носител на взаимодействието - се движи със скорост c.
През 1934 г. I. E. Tamm предполага, че взаимодействието между нуклоните също се предава чрез някакъв вид виртуални частици. По това време освен нуклоните са били известни само фотонът, електронът, позитронът и неутриното. Най-тежката от тези частици, електронът, има комптонова дължина на вълната (виж (11.7)), която е с два порядъка по-голяма от радиуса на действие на ядрените сили. Освен това величината на силите, които биха могли да се дължат на виртуални електрони, както показват изчисленията, се оказа изключително малка. Така първият опит да се обяснят ядрените сили с помощта на обмена на виртуални частици се оказва неуспешен.
През 1935 г. японският физик Х. Юкава изразява смела хипотеза, че в природата все още има неоткрити частици с маса 200-300 пъти по-голяма от масата на електрона и че тези частици действат като носители на ядрено взаимодействие, точно както фотоните са носители на електромагнитно взаимодействие. Юкава нарече тези хипотетични частици тежки фотони. Поради факта, че по отношение на масата тези частици заемат междинно положение между електрони и нуклони, впоследствие те бяха наречени мезони (на гръцки "mesos" означава среда),
През 1936 г. Андерсън и Недермайер откриват в космическите лъчи частици с маса, равна на . Първоначално се смяташе, че тези частици, наречени мезони или мюони, са носителите на взаимодействието, предсказано от Юкава. По-късно обаче се оказа, че мюоните взаимодействат много слабо с нуклони, така че не могат да бъдат отговорни за ядрените взаимодействия. Едва през 1947 г. Окиалини и Пауъл откриват друг вид мезони в космическото излъчване - така наречените -мезони или пиони, които се оказват носители на ядрени сили, предсказани 12 години по-рано от Юкава.
Има положителни отрицателни и неутрални мезони. Зарядът на u-мезоните е равен на елементарния заряд. Масата на заредените пиони е еднаква и равна на , масата на -мезон е равна на .
Спинът на заредените и неутралните -мезони е равен на нула И трите частици са нестабилни. Продължителността на живота на и -мезони е , -мезони - .
По-голямата част от заредените мезони се разпадат по схемата
( - положителни и отрицателни мюони, v - неутрино, - антинеутрино). Средно 2,5 разпада от милион протичат по други схеми (например и т.н., а в случая, т.е., се образува позитрон, а в случая, т.е., се образува електрон).
Средно -мезоните се разпадат на два -кванта:
Останалите разпадове се извършват по схемите:
Частиците, наречени -мезони или мюони, принадлежат към класа на лептоните (виж § 74), а не на мезоните. Следователно по-нататък ще ги наричаме мюони. Мюоните имат положителен или отрицателен заряд, равен на елементарния заряд (няма неутрален мюон). Масата на мюона е , спин - половина . Muoys, като -мезони, са нестабилни, те се разпадат по схемата:
Животът на двата мюона е еднакъв и равен.
Нека се обърнем към разглеждането на обменното взаимодействие между нуклоните. В резултат на виртуални процеси
Оказва се, че нуклонът е заобиколен от облак от виртуални мезони, които образуват полето на ядрените сили. Поглъщането на тези мезони от друг нуклон води до силно взаимодействие между нуклони, което се осъществява по една от следните схеми:
Съответният брой практически покойни неутрони се намира в целта. Абсолютно невероятно е, че толкова голям брой неутрони напълно биха прехвърлили инерцията си на почиващи преди това протони в резултат на челни удари. Следователно трябва да се признае, че част от летящите близо до протоните неутрони улавят един от виртуалните мезони. В резултат на това неутронът се превръща в протон, а протонът, който е загубил заряда си, се превръща в неутрон (фиг. 69.2).
Ако на нуклона се даде енергия, еквивалентна на масата на -мезона, тогава виртуалният -мезон може да стане реален. Необходимата енергия може да бъде придадена чрез сблъсък на достатъчно ускорени нуклони (или ядра) или чрез поглъщане на квант от нуклон. При много високи енергии на сблъскващи се растения, няколко реални
Атомното ядро, състоящо се от определен брой протони и неутрони, е едно цяло поради специфичните сили, които действат между нуклоните на ядрото и се наричат ядрен.Експериментално е доказано, че ядрените сили са много големи, далеч надвишаващи силите на електростатично отблъскване между протоните. Това се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото е много по-голяма от работата на кулоновите сили на отблъскване. Нека разгледаме основните характеристики на ядрените сили.
1. Ядрените сили са сили на привличане на къси разстояния . Те се появяват само на много малки разстояния между нуклони в ядрото от порядъка на 10–15 m. Дължината (1,5–2,2) 10–15 m се нарича обхват на ядрени силите бързо намаляват с увеличаване на разстоянието между нуклоните. На разстояние (2-3) m ядреното взаимодействие практически отсъства.
2. Ядрените сили имат свойството насищане, тези. всеки нуклон взаимодейства само с определен брой най-близки съседи. Този характер на ядрените сили се проявява в приблизителното постоянство на специфичната енергия на свързване на нуклони при зарядно число А>40. Всъщност, ако нямаше насищане, тогава специфичната енергия на свързване би се увеличила с увеличаване на броя на нуклоните в ядрото.
3. Характеристика на ядрените сили е и тяхната таксуване независимост , т.е. те не зависят от заряда на нуклоните, така че ядрените взаимодействия между протони и неутрони са едни и същи. Независимостта на заряда на ядрените сили може да се види от сравнение на енергии на свързване огледални ядра.Как се наричат ядрата?, в който общият брой нуклони е еднакъв, през нощта броят на протоните в единия е равен на броя на неутроните в другия. Например, енергията на свързване на ядрата на хелия и тежкия водород - тритий е съответно 7,72 MeVи 8.49 MeVРазликата между енергиите на свързване на тези ядра, равна на 0,77 MeV, съответства на енергията на кулоновото отблъскване на два протона в ядрото. Ако приемем, че това увеличение е равно, може да се установи, че средното разстояние rмежду протоните в ядрото е 1,9·10 -15 m, което е в съответствие със стойността на радиуса на действие на ядрените сили.
4. Ядрени сили не са централни и зависят от взаимната ориентация на спиновете на взаимодействащите нуклони. Това се потвърждава от различния характер на разсейване на неутрони от орто- и пара-водородни молекули. В молекулата на ортоводорода спиновете на двата протона са успоредни един на друг, докато в параводородната молекула те са антипаралелни. Експериментите показват, че разсейването на неутроните от параводорода е 30 пъти по-голямо от разсейването на ортоводорода.
Сложната природа на ядрените сили не позволява разработването на единна последователна теория за ядреното взаимодействие, въпреки че са предложени много различни подходи. Според хипотезата на японския физик Х. Юкава (1907-1981), която той предлага през 1935 г., ядрените сили се дължат на обмен – мезони, т.е. елементарни частици, чиято маса е приблизително 7 пъти по-малка от масата на нуклоните. Според този модел, нуклон във времето м- масата на мезона) излъчва мезон, който, движейки се със скорост, близка до скоростта на светлината, изминава разстояние, след което се поглъща от втория нуклон. От своя страна вторият нуклон също излъчва мезон, който се абсорбира от първия. Следователно в модела на Х. Юкава разстоянието, на което нуклоните си взаимодействат, се определя от дължината на пътя на мезона, която съответства на разстояние от около ми съвпада по порядък с радиуса на действие на ядрените сили.
Въпрос 26. реакции на делене. През 1938 г. немските учени О. Хан (1879-1968) и Ф. Щрасман (1902-1980) откриват, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, понякога се появяват ядра, които са приблизително наполовина по-малки от първоначалното ураново ядро. Това явление е наречено ядрено делене.
Той представлява първата експериментално наблюдавана реакция на ядрени трансформации. Пример е една от възможните реакции на ядрено делене на уран-235:
Процесът на ядрено делене протича много бързо (в рамките на време от ~10 -12 s). Енергията, освободена по време на реакция като (7.14), е приблизително 200 MeV на акт на делене на ядрото на уран-235.
В общия случай реакцията на делене на ядрото на уран-235 може да се запише като:
Неутрони (7.15)
Механизмът на реакцията на делене може да бъде обяснен в рамките на хидродинамичния модел на ядрото. Според този модел, когато един неутрон се абсорбира от ядро на уран, той преминава във възбудено състояние (фиг. 7.2).
Излишната енергия, която ядрото получава в резултат на поглъщането на неутрон, причинява по-интензивно движение на нуклони. В резултат на това ядрото се деформира, което води до отслабване на ядреното взаимодействие на къси разстояния. Ако енергията на възбуждане на ядрото е по-голяма от някаква енергия, наречена енергия на активиране , тогава под въздействието на електростатичното отблъскване на протоните, ядрото се разделя на две части, с излъчването неутрони на делене . Ако енергията на възбуждане при поглъщане на неутрон е по-малка от енергията на активиране, тогава ядрото не достига
критичен етап на делене и след като е излъчил -квант, се връща към главния
състояние.
Важна характеристика на реакцията на ядрено делене е способността на нейната основа да се реализира самоподдържаща се ядрена верижна реакция . Това се дължи на факта, че повече от един неутрон се отделя средно по време на всяко събитие на делене. Маса, заряд и кинетична енергия на фрагменти хи U,образувани в хода на реакция на делене от типа (7.15) са различни. Тези фрагменти бързо се забавят от средата, причинявайки йонизация, нагряване и нарушаване на нейната структура. Използването на кинетичната енергия на фрагментите на делене поради тяхното нагряване на средата е в основата на преобразуването на ядрената енергия в топлинна енергия. Фрагментите на ядреното делене са във възбудено състояние след реакцията и преминават в основно състояние чрез излъчване β - частици и -кванти.
Контролирана ядрена реакцияизвършено в ядрен реактор и придружено от освобождаване на енергия. Първият ядрен реактор е построен през 1942 г. в САЩ (Чикаго) под ръководството на физика Е. Ферми (1901 - 1954). В СССР първият ядрен реактор е създаден през 1946 г. под ръководството на И. В. Курчатов. След това, след като натрупаха опит в контролирането на ядрените реакции, започнаха да строят атомни електроцентрали.
Въпрос 27. ядрен синтез наречена реакция на синтез на протони и неутрони или отделни леки ядра, в резултат на което се образува по-тежко ядро. Най-простите реакции на ядрен синтез са:
, ΔQ = 17.59 MeV; (7,17)
Изчисленията показват, че енергията, освободена в процеса на реакциите на ядрен синтез на единица маса, значително надвишава енергията, освободена при реакциите на ядрено делене. По време на реакцията на делене на ядрото на уран-235 се отделят приблизително 200 MeV, т.е. 200:235=0.85 MeV на нуклон и по време на реакцията на синтез (7.17) се освобождава енергия от приблизително 17.5 MeV, т.е. 3.5 MeV на нуклон (17.5:5=3.5 MeV). По този начин, процесът на синтез е около 4 пъти по-ефективен от процеса на делене на уран (изчислен за един нуклон на ядрото, участващо в реакцията на делене).
Високата скорост на тези реакции и относително високото отделяне на енергия правят равнокомпонентната смес от деутерий и тритий най-обещаваща за решаване на проблема. контролиран термоядрен синтез. Надеждите на човечеството за решаване на енергийните проблеми са свързани с контролиран термоядрен синтез. Ситуацията е, че запасите от уран, като суровина за атомни електроцентрали, са ограничени на Земята. Но деутерият, съдържащ се във водата на океаните, е почти неизчерпаем източник на евтино ядрено гориво. Ситуацията с трития е малко по-сложна. Тритият е радиоактивен (периодът му на полуразпад е 12,5 години, реакцията на разпад изглежда:), не се среща в природата. Следователно, за да се осигури работата термоядрен реакторкойто използва тритий като ядрено гориво, следва да се предвиди възможността за неговото възпроизвеждане.
За целта работната зона на реактора трябва да бъде заобиколена от слой лек литиев изотоп, в който ще се осъществи реакцията
В резултат на тази реакция се образува водородният изотоп тритий ().
В бъдеще се разглежда възможността за създаване на нискорадиоактивен термоядрен реактор на базата на смес от изотоп на деутерий и хелий, реакцията на синтез има формата:
MeV.(7.20)
В резултат на тази реакция, поради липсата на неутрони в продуктите на синтеза, биологичната опасност на реактора може да бъде намалена с четири до пет порядъка, както в сравнение с реактори на ядрено делене, така и с термоядрени реактори, работещи на деутерий и тритиево гориво, няма нужда от промишлена обработка на радиоактивни материали и транспортирането им, качествено опростява изхвърлянето на радиоактивни отпадъци. Въпреки това перспективите за създаване в бъдеще на екологично чист термоядрен реактор на базата на смес от деутерий () с хелиев изотоп () се усложняват от проблема със суровините: природните запаси на хелиевия изотоп на Земята са незначителни . Влиянието на ом деутерий в бъдещето на екологично чист термоядрен
По пътя към осъществяването на реакции на синтез при земни условия възниква проблемът за електростатичното отблъскване на леките ядра, когато те се приближават до разстояния, на които започват да действат ядрените сили на привличане, т.е. около 10 -15 m, след което настъпва процесът на тяхното сливане поради тунелен ефект. За да се преодолее потенциалната бариера, на сблъскващите се леки ядра трябва да се даде енергия ≈10 keVкоето съответства на температурата т ≈10 8 Ки по-високо. Следователно термоядрените реакции в естествени условия протичат само във вътрешността на звездите. За осъществяването им в земни условия е необходимо силно нагряване на веществото или чрез ядрена експлозия, или чрез мощен газов разряд, или чрез гигантски импулс на лазерно лъчение, или чрез бомбардиране с интензивен лъч на частици. Термоядрени реакции досега са провеждани само при пробни експлозии на термоядрени (водородни) бомби.
Основните изисквания, на които трябва да отговаря термоядрен реактор като устройство за контролиран термоядрен синтез, са следните.
Първо, надеждно задържане на гореща плазма (≈10 8 К)в реакционната зона. Основната идея, която дълги години определя пътя за решаване на този проблем, е изразена в средата на 20 век в СССР, САЩ и Великобритания почти едновременно. Тази идея е използване на магнитни полетаза задържане и топлоизолация на високотемпературна плазма.
Второ, при работа с гориво, съдържащо тритий (който е изотоп на водорода с висока радиоактивност), ще настъпи радиационно увреждане на стените на камерата на термоядрен реактор. Според експерти механичната устойчивост на първата стена на камерата е малко вероятно да надхвърли 5-6 години. Това означава необходимост от периодично пълно демонтиране на инсталацията и последващото й повторно сглобяване с помощта на дистанционно работещи роботи поради изключително високата остатъчна радиоактивност.
Трето, основното изискване, на което термоядреният синтез трябва да отговаря, е, че освобождаването на енергия в резултат на термоядрени реакции ще компенсира повече от енергията, изразходвана от външни източници за поддържане на самата реакция. Голям интерес представляват "чистите" термоядрени реакции,
които не произвеждат неутрони (виж (7.20) и реакцията по-долу:
Въпрос 28 α−, β−, γ− радиация.
Под радиоактивност разбират способността на някои нестабилни атомни ядра да се трансформират спонтанно в други атомни ядра с излъчване на радиоактивно излъчване.
естествена радиоактивностнаречена радиоактивност, наблюдавана в естествено срещащи се нестабилни изотопи.
изкуствена радиоактивностнаречена радиоактивност на изотопи, получени в резултат на ядрени реакции, извършени върху ускорители и ядрени реактори.
Радиоактивните трансформации настъпват с промяна в структурата, състава и енергийното състояние на ядрата на атомите и са придружени от излъчване или улавяне на заредени или неутрални частици и освобождаване на късовълново лъчение с електромагнитно естество (кванти на гама лъчение ). Тези излъчени частици и кванти се наричат общо радиоактивен (или йонизиращи ) радиация, а елементите, чиито ядра могат спонтанно да се разпаднат по една или друга причина (естествена или изкуствена), се наричат радиоактивни или радионуклиди . Причините за радиоактивния разпад са дисбаланси между ядрените (късообхватни) сили на привличане и електромагнитните (далечни) отблъскващи сили на положително заредените протони.
йонизиращо лъчение– поток от заредени или неутрални частици и кванти на електромагнитно лъчение, чието преминаване през вещество води до йонизация и възбуждане на атоми или молекули на средата. По своята същност той се разделя на фотон (гама лъчение, спирачно лъчение, рентгеново лъчение) и корпускулярен (алфа лъчение, електрон, протон, неутрон, мезон).
От 2500 известни в момента нуклида, само 271 са стабилни. Останалите (90%!) са нестабилни; радиоактивен; чрез един или повече последователни разпада, придружени от излъчване на частици или γ-кванти, те се превръщат в стабилни нуклиди.
Изследването на състава на радиоактивното излъчване направи възможно разделянето му на три различни компонента: α-лъчение е поток от положително заредени частици - хелиеви ядра (), β-лъчение е потокът от електрони или позитрони, γ лъчение – поток от късовълново електромагнитно излъчване.
Обикновено всички видове радиоактивност са придружени от излъчване на гама лъчи - твърдо, късовълново електромагнитно излъчване. Гама лъчите са основната форма за намаляване на енергията на възбудените продукти от радиоактивни трансформации. Нарича се ядро, подложено на радиоактивен разпад майчина; възникващи дете ядрото, като правило, се оказва възбудено и преминаването му в основно състояние е придружено от излъчване на квант.
Закони за опазване.При радиоактивен разпад се запазват следните параметри:
1. Зареждане . Електрическият заряд не може да бъде създаден или унищожен. Общият заряд преди и след реакцията трябва да бъде запазен, въпреки че може да бъде разпределен по различен начин между различните ядра и частици.
2. Масово число или броят на нуклоните след реакцията трябва да е равен на броя на нуклоните преди реакцията.
3. Обща енергия . Кулоновата енергия и енергията на еквивалентните маси трябва да се запазят при всички реакции и разпада.
4.импулс и ъглов импулс . Запазването на линейния импулс е отговорно за разпределението на кулоновата енергия между ядрата, частиците и/или електромагнитното излъчване. Ъгловият импулс се отнася до въртенето на частиците.
α-разпаднаречено излъчване от атомно ядро α− частици. В α− разпад, както винаги, трябва да бъде спазен законът за запазване на енергията. В същото време всякакви промени в енергията на системата съответстват на пропорционални промени в нейната маса. Следователно по време на радиоактивен разпад масата на изходното ядро трябва да надвишава масата на продуктите на разпада с количество, съответстващо на кинетичната енергия на системата след разпада (ако ядрото-родител е било в покой преди разпада). Така в случая α− разпадът трябва да отговаря на условието
където е масата на родителското ядро с масово число Аи сериен номер Z, 
е масата на дъщерното ядро и е масата α−
частици. Всяка от тези маси от своя страна може да бъде представена като сума от масовото число и дефекта на масата:
Замествайки тези изрази за масите в неравенство (8.2), получаваме следното условие за α− разпад:, (8.3)
тези. разликата в масовите дефекти на родителското и дъщерното ядро трябва да бъде по-голяма от дефекта на масата α− частици. По този начин при α− разпад, масовите числа на родителското и дъщерното ядро трябва да се различават едно от друго с четири. Ако разликата в масовите числа е равна на четири, тогава при , масовите дефекти на естествените изотопи винаги намаляват с увеличаване А. По този начин за , неравенството (8.3) не е изпълнено, тъй като дефектът на масата на по-тежкото ядро, което трябва да бъде майчиното ядро, е по-малък от дефекта на масата на по-лекото ядро. Следователно, когато α− ядрено делене не се случва. Същото важи и за повечето изкуствени изотопи. Изключение правят няколко леки изкуствени изотопа, за които скокове в енергията на свързване, а оттам и в масовите дефекти, са особено големи в сравнение със съседните изотопи (например изотопът на берилия, който се разпада на две α− частици).
Енергия α− частиците, получени по време на разпадането на ядрата, се намира в относително тесен диапазон от 2 до 11 MeV. В този случай има тенденция полуживотът да намалява с увеличаване на енергията α− частици. Тази тенденция се проявява особено в последователни радиоактивни трансформации в рамките на едно и също радиоактивно семейство (законът на Гайгер-Натал). Например енергия α− частици по време на разпадането на урана (T \u003d 7.1. 10 8 години) е 4,58 мев, с разпадането на протактиний (T \u003d 3.4. 10 4 години) - 5,04 Mevy по време на разпадането на полония (T = 1,83. 10 -3 С)- 7,36мев.
Най-общо казано, ядрата от един и същи изотоп могат да излъчват α− частици с няколко строго определени енергийни стойности (в предишния пример е посочена най-високата енергия). С други думи, α− частиците имат дискретен енергиен спектър. Това се обяснява по следния начин. Полученото разпадащо ядро, според законите на квантовата механика, може да бъде в няколко различни състояния, във всяко от които има определена енергия. Състоянието с възможно най-ниска енергия е стабилно и се нарича главен . Останалите щати се наричат възбуден . Ядрото може да остане в тях за много кратко време (10 -8 - 10 -12 сек) и след това преминава в състояние с по-ниска енергия (не непременно веднага в основната) с излъчване γ− квантово.
В ход α− Има два етапа на разпад: образуването α− частици от нуклони на ядрото и емисия α− частици на сърцевината.
Бета разпад (радиация).Концепцията за разпад комбинира три вида спонтанни вътрешноядрени трансформации: електронно - разпад, позитрон - разпад и улавяне на електрони ( Е- улавяне).
Има много повече бета-радиоактивни изотопи от алфа-активните. Те присъстват в цялата област на изменение на масовите числа на ядрата (от леките ядра до най-тежките).
Бета разпадът на атомните ядра се дължи на слабо взаимодействие елементарни частици и подобно на разпадането се подчинява на определени закони. По време на разпада един от неутроните на ядрото се превръща в протон, като същевременно излъчва електрон и електронно антинеутрино. Този процес протича по схемата: . (8.8)
По време на разпада един от протоните на ядрото се превръща в неутрон с излъчване на позитрон и електронно неутрино:
Свободен неутрон, който не е част от ядрото, се разпада спонтанно съгласно реакция (8.8) с период на полуразпад от около 12 мин. Това е възможно, тъй като масата на неутрона a.m.u. по-голяма от масата на протона a.m.u. със стойността a.m.u., която надвишава масата на покой на електрона a.m.u. (масата на покой на неутриното е нула). Разпадането на свободен протон е забранено от закона за запазване на енергията, тъй като сумата от масите на покой на получените частици - неутрона и позитрона - е по-голяма от масата на протона. Следователно разпадът (8.9) на протон е възможен само в ядрото, ако масата на дъщерното ядро е по-малка от масата на изходното ядро със стойност, превишаваща масата на покой на позитрона (масите на покой на позитрон и електрон са равни). От друга страна, подобно условие трябва да бъде изпълнено и в случай на разпад на неутрон, който е част от ядрото.
В допълнение към процеса, протичащ съгласно реакция (8.9), трансформирането на протон в неутрон може да се случи и чрез улавяне на електрон от протон с едновременното излъчване на електронно неутрино
Точно като процес (8.9), процес (8.10) не протича със свободен протон. Ако обаче протонът е вътре в ядрото, тогава той може да улови един от орбиталните електрони на своя атом, при условие че сумата от масите на родителското ядро и електрона е по-голяма от масата на дъщерното ядро. Самата възможност за среща на протони вътре в ядрото с орбиталните електрони на атома се дължи на факта, че според квантовата механика движението на електроните в атома не се извършва по строго определени орбити, както е прието в Бора. теория, но има известна вероятност да се срещне електрон във всяка област на пространството вътре в атома, в частност и в областта, заета от ядрото.
Нарича се трансформацията на ядро, причинена от улавянето на орбитален електрон Е- улавяне. Най-често се случва улавяне на електрон, принадлежащ към най-близката до ядрото K-обвивка (K-capture). Улавянето на електрон, който е част от следващата L-обвивка (L-capture), се случва приблизително 100 пъти по-рядко.
Гама лъчение. Гама лъчението е късовълново електромагнитно лъчение, което има изключително къса дължина на вълната и в резултат на това силно изразени корпускуларни свойства, т.е. е поток от кванти с енергия ( ν − честота на излъчване), импулс и спин Дж(в единици ħ ).
Гама лъчението съпровожда разпада на ядрата, възниква при унищожаване на частици и античастици, по време на забавяне на бързо заредени частици в средата, по време на разпадането на мезони, присъства в космическото излъчване, в ядрените реакции и т.н. междинни, по-малко възбудени държави. Следователно излъчването на един и същ радиоактивен изотоп може да съдържа няколко вида кванти, различаващи се един от друг по енергийни стойности. Времето на живот на възбудените състояния на ядрата обикновено нараства рязко с намаляване на тяхната енергия и с увеличаване на разликата между спиновете на ядрото в началното и крайното състояние.
Излъчването на квант възниква и по време на радиационния преход на атомното ядро от възбудено състояние с енергия Eiв земно или по-малко възбудено състояние с енергия Е к (Ei > Ek). Според закона за запазване на енергията (до енергията на отката на ядрото) квантовата енергия се определя от израза: . (8.11)
По време на излъчване законите за запазване на импулса и ъгловия импулс също са изпълнени.
Поради дискретността на енергийните нива на ядрото, излъчването има линеен спектър от енергия и честоти. Всъщност енергийният спектър на ядрото е разделен на дискретни и непрекъснати области. В областта на дискретния спектър разстоянията между енергийните нива на ядрото са много по-големи от енергийната ширина гниво, определено от живота на ядрото в това състояние:
Времето определя скоростта на разпадане на възбудено ядро:
където е броят на ядрата в началния момент (); брой неразпаднали ядра наведнъж т.
Въпрос 29. Закони на преместването.При излъчване на частица ядрото губи два протона и два неутрона. Следователно, в полученото (дъщерно) ядро, в сравнение с първоначалното (родителско) ядро, масовото число е четири по-малко, а серийният номер е два по-малко.
Така по време на разпадането се получава елемент, който в периодичната таблица заема място две клетки вляво в сравнение с оригиналната: (8.14)
По време на разпада един от неутроните на ядрото се превръща в протон с излъчване на електрон и антинеутрино (-разпад). В резултат на разпада броят на нуклоните в ядрото остава непроменен. Следователно масовото число не се променя, с други думи, има трансформация на една изобара в друга. Въпреки това зарядът на дъщерното ядро и неговият порядков номер се променят. По време на -разпад, когато неутронът се превръща в протон, серийният номер се увеличава с едно, т.е. в този случай се появява елемент, който е изместен в периодичната таблица в сравнение с оригинала с една клетка вдясно:
По време на разпад, когато протонът се превръща в неутрон, серийният номер намалява с едно и новополучения елемент се измества в периодичната таблица с една клетка наляво:
В изрази (8.14) − (8.16) х- символът на родителското ядро, Йе символът на дъщерното ядро; е ядрото на хелия; А= 0 и З= –1 и позитрон, за което А= 0 и З=+1.
Образуват се естествено радиоактивни ядра три радиоактивни семейства Наречен семейство уран (), семейство торий ()и семейство актинии (). Те са получили имената си за дългоживеещите изотопи с най-дълъг период на полуразпад. Всички семейства след веригата от α- и β-разпад завършват на стабилни ядра от оловни изотопи - , и. Семейството нептуний, започвайки от трансурановия елемент нептуний, е получено изкуствено и завършва с изотопа на бисмута.
