Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

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

Зміст

1. Передмова..............................................................................................5

РОЗДІЛ 1 Ядерна фізика

2. Основні характеристики атомних ядер (лінійні розміри, заряд, зарядове й масове числа, спін, магнетний момент)................ .........6

3. Будова ядра. Нуклони, їх характеристики і взаємоперетворення. Нейтрино............................................................................................ 11

4. Енергія зв’язку нуклонів у ядрі. Дефект маси. Ядерні сили і їх природа. Мезони ...............................................................................19

5. Феноменологічні моделі будови атомного ядра.............................24

6. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду.............................27

7. Закономірності альфа - і бета – розпаду.........................................31

8. Гамма-випромінювання. Взаємодії g- променів з речовиною.......38

9. Природа ядерних реакцій. Поріг і механізм ядерних реакцій.......48

10. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії................................................................................................. 51

11. Термоядерні реакції. Енергія зірок. Керований термоядерний синтез..................................................................................................54

12. Ядерна зброя, ядерні вибухові пристрої..........................................56

13. Термоядерні вибухові пристрої........................................................61

14. Послідовність подій при ядерному вибуху.....................................62

15. Нейтронна зброя............................... .................................................67

РОЗДІЛ 2 Рідіаційна екологія

16. Фізичні основи радіаційної безпеки........................................ ........70

17. Джерела опромінення. Природна й штучна радіоактивність...72

18. Потік і інтенсивність іонізуючих випромінювань............ ...........81

19. Взаємодія важких заряджених частинок з речовиною....... ..........83



20. Вільний пробіг важких заряджених частинок у речовині..............87

21. Взаємодія бета-частинок з речовиною................. ...........................88

22. Взаємодія нейтронів з речовиною............ .......................................90

23. Поглинена й експозиційна дози. Одиниці вимірювання дози випромінювання.................................................................................94

24. Особливості взаємодії різних видів випромінювання з біологічними об’єктами ...................................................................97

25. Дія іонізуючого випромінювання на організм людини................102

26. Вплив іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти при загальному опроміненні ...... .................................... .....................108

27. Основи біологічної дії іонізуючих випромінювань......................111

28. Первинні процеси дії іонізуючих випромінювань....... ...............112

29. Первинні процеси дії іонізуючих випромінювань ......................114

30. Розрахунок захисту і захисні матеріали........................................117

Д О Д А Т К И

32.Орієнтовні норми радіаційної безпеки людей.............................126

33. Важливо знати..................................................................................126

34.Перевідні коефіцієнти одиниць вимірювання радіоактивності.................................................................................127

35.Середнє опромінення людини на землі, мЗв/рік...... ...................128

36.Середня величина опромінення населення колишнього СРСР (1991р.) мЗв/рік...............................................................................129

37.Потужності експозиційної дози іонізуючого випромінювання в салоні пасажирського літака................................ ..........................130

38.Місця нагромадження радіонуклідів в організмі людини ...........130

39.Рівні радіоактивності деяких рідин................................................131

40.Гранично допустимі вмісти деяких радіонуклідів в тілі людини (мкКі)..................................................................................131

41.Наслідки опромінення людини......................................................132

42.Радіоізотопний склад чорнобильського викиду...........................133

43.Розподіл 131I і 137 Cs в різних районах земної кулі після аварії на ЧАЕС.......................................................................134

44.Тимчасові допустимі рівні вмісту 137Cs і 90Sr в харчових продуктах і питній воді, установлені після аварії на Чорнобильській АЕС ......................................................................134

45.Граничні допустимі дози опромінення, схвалені комісією ядерного регулювання США (мЗв/рік)...................................................... ...135

46.Закон України “Про охорону навколишнього природного середовища на Україні”...................................................................136

47. Загальні положення ........................................................................136

48.Екологічні права й обов’язки громадян ........................................141

49. Повноваження Рад в області охорони природи ..........................144

50. Повноваження органів керування в області охорони природи . 148

51. Моніторинг навколишнього природного середовища................159

52. Екологічна експертиза .................................................................162

53. Стандартизація і нормування .......................................................164

54 Використана література..................................................................168

 

 

Передмова

Явище радіоактивності було відкрите більше ніж сторіччя тому, а радіаційна екологія як самостійна дисципліна одержала свій розвиток порівняно недавно. Радіоактивність і випромінювання, яке його супроводжує, існували на Землі задовго до зародження на ній життя.

Джерелом радіоактивності, що існує в природі, є сама природа. Навіть їжа з природних причин у певній мірі радіоактивна. Проте, зацікавленість до радіаційної екології в значній мірі зросла в останні роки у зв'язку з тим, що людство міцно вступило в ядерне сторіччя. Разом з тим росте число людей, які мають безпосереднє професійне відношення до радіоактивного випромінювання. У наш час ряд технологічних процесів одержання і застосування ядерної енергії, виробництва й використання штучних радіоізотопів пов’язані з можливістю надходження радіоактивних відходів у навколишнє середовище.

Багаторічні випробовування ядерної і водневої зброї, а також аварії на ядерних об’єктах створили на планеті новий фактор радіаційного впливу на людей. Стає зрозумілим зростання актуальності досліджень, спрямованих на розширення наукових знань у цій області. З повною відповідальністю можна стверджувати, що основне завдання фахівців в області радіаційної екології - не допустити більш-менш помітного збільшення існуючої в природі радіоактивності.

Для вирішення поставленого завдання спеціалісту в області радіаційної екології необхідно, як мінімум, мати уявлення про фізико-хімічні основи явища радіоактивності, взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною і, зокрема, про особливості впливу радіаційного випромінювання на живі організми; а також мати необхідні знання по дозиметрії і методах захисту людей від впливу радіоактивних випромінювань.

 

Атомне ядро

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

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

Енергія зв’язку нуклонів у ядрі. Дефект маси. Ядерні сили і їх природа. Мезони.

Феноменологічні моделі будови атомного ядра.

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.

Історична довідка

Уже багато років усе частіше й частіше не тільки в вагомих наукових журналах, але й на сторінках газет і популярних видань приходиться зустрічатися з "таємничою" елементарною частинкою, яка носить досить дивну назву - "нейтрино". Що ж це за частинка, яку роль вона відіграє у фізиці елементарних частинок й у Всесвіті?

Коли ця частинка вперше з'явилася у фізиці вчені уже твердо знали, що існують такі елементарні частинки, як нейтрони й протони - "цеглинки", з яких складається атомне ядро.

У 1931 р. відомий швейцарський фізик Вольфганг Паулі прийшов до висновку, що в природі повинна існувати ще одна нейтральна частинка з масою, набагато меншою, ніж у нейтрона, як він говорив, "маленький нейтрон". Коли Паулі викладав цю ідею з трибуни однієї міжнародної наукової конференції, італійський фізик Енріко Фермі перебив його словами:

- Називайте її "нейтрино"!

Справа в тім, що на італійській мові зменшувальне "ино" відповідає російським суфіксам "чик" або "ушк". Так що нейтрино в перекладі з італійської буде означати "маленький нейтральний", або просто "нейтрончик".

Так нейтрино було винайдено Паулі, а одержало назву з легкої руки Фермі. "Винахід" нейтрино було здійснено завдяки труднощам, виявленим при експериментальному дослідженні так званого процесу бета - розпаду. Цей процес полягає у випромінюванні ядрами деяких хімічних елементів негативних електронів (е-). Коли нейтрино ще не було "винайдене", припускали, що бета-розпад ядра Z, що має заряд + Ze, відбувається за схемою

Z (Z+1)+е-. (3.1.2.7)

 

Але виявилося, що енергії електронів, які вилітають, у цьому процесі не мають дискретного значення. У більшості випадків енергії явно не вистачало в порівнянні з тією, яку вони повинні були теоретично мати. Створювалося враження, що енергія кудись зникає, начебто порушувався закон збереження енергії. Труднощі були настільки значними, що деякі великі фізики пропонували навіть відмовитися від цього фундаментального закону.

Удаване незбереження енергії, однак, мало досить дивний характер. Дійсно, якщо енергія не зберігається в процесі бета-розпаду, то ми повинні були б очікувати, що іноді енергії електронів буде не вистачати, а іноді з'явиться "зайва". Однак виявилося, що "зайвої" енергії не буває.

Таким чином, не природне прагнення зберегти непорушними закони фізики, а факти, яким у науці завжди належить останнє слово, змусили встати на захист закону збереження енергії. Але як?

"Винахідник" нейтрино міркував так. Удаване незбереження енергії обумовлене просто тим, що вищенаведена схема неправильно описує процес бета-розпаду. У цьому процесі повинна брати участь ще одна, не виявлена дослідним шляхом нейтральна (а тому практично невловима) частинка, яка несе "зниклу" енергію. Вона і була названа нейтрино ( ). Таким чином, схема бета-розпаду виглядала так:

 

Z (Z+1)+е-+ , (3.1.2.8)

де е- - електрон; - антинейтрино.

І хоча для всіх частинок, які виділяються в цьому процесі, сумарна енергія має точно визначену величину, вона розподіляється між продуктами розпаду так, що в різних випадках електрон одержує різні її порції. Сам фундаментальний процес бета-розпаду - розпад нейтрона буде тому описаний схемою

 

n p+е-+ . (3.1.2.9)

 

Всередині атомних ядер протон також може перетворюватися в нейтрон з випромінюванням позитивного електрона (або позитрона) і нейтрино:

p n + е+ + , (3.1.2.10)

де е+ -позитрон, позитивно заряджений електрон; - нейтрино.

 

Отже, нейтрино - це частинка, яка при бета-розпаді несе частину енергії. Так припускали фізики-теоретики, що із самого початку вважали її як "невловиму" частинку. І відразу ж були передбачені властивості нової частинки: вона повинна бути електрично- нейтральною, мати високу проникну здатність і бути надзвичайно малою за масою. Інакше експериментаторам було б неважко знайти її, а це виявилося зовсім не просто. Остання властивість - вкрай мала маса - відповідно до теорії відносності приводить до того, що нейтрино не може знаходитися в стані спокою: воно завжди рухається зі швидкістю світла.

Після того як гіпотеза про існування нейтрино була сформульована, фізики спробували знайти й інші докази його присутності в бета-розпаді. Як відомо, при перетвореннях частинок, як і при будь-яких фізичних процесах, що відбуваються в будь-якій системі, зберігається не тільки енергія, але і кількість руху або імпульс.

Якщо нейтрон, який дає бета-розпад, нерухомий, то його імпульс дорівнює нулю. Виходить, і сумарний імпульс усіх частинок - продуктів розпаду - також повинен бути рівним нулю. Але в численних дослідах, перший з яких ще в 1934 р. поставив радянський фізик О. Лейпунський, було показано, що сумарний імпульс електрона й ядра віддачі (Z+1) при бета-розпаді ядра Z не дорівнює нулю. Це підтверджує гіпотезу про нейтрино: невловима частинка несе "зниклий" імпульс.

 

 

Схема бета - розпаду нейтрона й протона

 

Як з'ясувалося після відкриття інших елементарних частинок, особливо мезонів, нейтрино бере участь не тільки в бета-розпаді ядер, але й в інших процесах. Його присутність виявляється завжди, коли енергія начебто зникає. До речі, у деяких з цих процесів, де число частинок, що утворюються, дорівнює двом, а не трьом, як у процесі бета-розпаду, характер "незбереження енергії" більш ніж підозрілий і вимагає існування нейтрино ще ясніше, ніж у випадку бета-розпаду.

Наприклад, при розпаді так званого піона (або пі-мезона) завжди "зникає" певна енергія, близько 30 МеВ. У процесі захоплення мюона (або мю-мезона) ядром гелію-3

 

µ- + 3He 3H + , (3.1.2.11)

 

виявленому в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні, "зникає" близько 100 МеВ (енергія нейтрино), а ядра віддачі тритію 3H мають енергію, завжди точно рівну 1,9 МеВ. Якби ці процеси були відомі раніше, ніж бета-розпад, не було б необхідності в генії Паулі для "відкриття" нейтрино.

Нейтрино й антинейтрино відрізняються одне від одного тим, що мають різний напрямок "спіральності", причому нейтрино нагадує гвинт із лівим різьбленням, а антинейтрино - із правим.

 

 






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2017 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.