Конспект лекций по ядерной физике

Конспект по начертательной
геометрии
Начертательная геометрия
Практикум решения задач
Геометрические основы
Инженерная графика
ЕСКД
Каталог графических примеров
Архитектура ЭВМ
Информатика и
информационные технологии
Конспект лекций по ядерной физике
ТОЭ
Физические законы механики
Волны оптика
Электротехника
Общая электротехника
Решение задач по
электротехнике
Язык программирования
MATLAB
Расчет электрических цепей
Моделирование цепей
переменного тока
Дифференциальные уравнения
Вычислительныe системы
Вычислительные комплексы
Электротехнические материалы
Теория конструктивных
материалов
Учебник PHP
Турбо Паскаль
Встроенный ассемблер
Turbo Vision
Java
Примеры программирования
на Java
Примеры скриптов
История искусства 18-19 век

 

 
Строение и общие свойства атомных ядер

В настоящее время твердо установлено и не вызывает сомнений, что в составе атома имеется ядро (Резерфорд, 1911 г.). Атомные ядра обладают целым рядом свойств, которые позволяют отличать ядра отдельных химических элементов друг от друга, и в то же время являются общими характеристиками для всех ядер.

Атомные ядра могут быть стабильными, т.е. живущими неограниченно долго, и нестабильными, испытывающие спонтанные (радиоактивные) превращения.

Основными характеристиками стабильного атомного ядра являются число нуклонов в ядре, электрический заряд ядра, масса ядра, энергия связи ядра, размер ядра, спин ядра, магнитный и электрический моменты ядра, четность волновой функции, изотопический спин, статистика.

Нестабильные ядра имеют ряд дополнительных характеристик, таких как тип радиоактивного превращения, среднее время жизни, энергия, выделяемая при распаде.

Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях и как любая квантовая система имеют свою, присущую только ядру данного нуклида, систему энергетических уровней. Состояние с наименьшей энергией называется основным, остальные – возбужденными. Ядра в возбужденных состояниях неустойчивы и, в отличие от основных состояний, могут находиться в возбужденных состояниях ограниченное время, испытывая спонтанные переходы в состояния с меньшей энергией.

Основные  типы жилых зданий и особенности проектирования и конструкций.

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

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

 Заряд ядра был определен в 1913 г. Мозли, который измерил с помощью дифракции на кристаллах длину λ волны характеристического рентгеновского излучения для ряда химических элементов, следующих друг за другом в периодической системе элементов. Измерения показали, что λ изменяется дискретным образом от некоторой целой величины Z, которая совпадает с порядковым номером элемента и изменяется на единицу при переходе от элемента к соседнему элементу в периодической системе, а для водорода равна единице. Мозли интерпретировал эту величину как заряд ядра и установил, что (закон Мозли):
  Масса ядра и масса атома Масса ядра является одной из его самых важных характеристик. Массу ядра нуклида данного состава (А,Z) будемобозначать М(А,Z) или М(АХ), а массу соответствующего атома Мат.
 

Связь между массой любого тела и его полной энергией

 

Масса атома В ядерной физике обычно пользуются не массами ядер, а массами атомов. Это вызвано тем, что невозможно измерить непосредственно массу ядер без связанных с ними электронов, за исключением легчайших. Масса нейтрального атома в пределах точности современных методов измерения масс равна сумме масс ядра и электронов

 Энергия связи ядра Ядро представляет систему связанных между собой нуклонов. Возникновение связанного состояния возможно только под действием ядерных сил притяжения, удерживающих нуклоны в ограниченном объеме. Устойчивость связанного состояния обеспечивается тем, что ядро как система из взаимодействующих между собой нуклонов должна иметь минимум полной энергии.
 

Cистема центра инерции Ядро, как и любое материальное тело с массой покоя М0 не равной нулю, имеет замечательную точку, которая называется центром инерции ядра. Система координат, начало которой находится в точке центра инерции, называется системой центра инерции

 

Дефект массы ядра Последнее выражение показывает, что полная энергия связи ядра обусловлена относительными величинами, значения которых много меньше единицы, и как важно понятия декремента масс атома в ядерной физике. В настоящее время эта важнейшая характеристика определена из прецизионных масс-спектрометрических измерений атомных масс практически для всех известных нуклидов

 

Удельная энергия связи Как характеристика интенсивности связи нуклонов в ядре полная энергия связи неудобна, поскольку она увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре. Для этой цели больше подходит удельная (или средняя) энергия связи  нуклона в ядре (A,Z), т.е. полная энергия связи, отнесенная к одному нуклону:

 

Максимум удельной энергии связи Максимум удельной энергии связи приходится на ядра с массовыми числами 55 ÷ 60 и спадает к обоим краям кривой.

Резкое уменьшение (А) в области малых А объясняется поверхностными эффектами. Нуклоны у поверхности ядра не полностью насыщают все свои возможные связи. Этот эффект уменьшает полную энергию связи на величину, пропорциональную числу нуклонов в поверхностном слое. Роль поверхностных эффектов возрастает с увеличением отношения поверхности к объему, т.е. при переходе к легким ядрам.

 Размер ядра Первые представления о размерах ядра были получены Резерфордом при экспериментальном изучении рассеяния α-частиц с энергией ~ 5 МэВ при прохождении через тонкие пленки золота. Наблюдалось, что некоторое количество α-частиц рассеивается на очень большие углы θ, почти до 180º. На этом основании в 1911 г. Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома
 Спин, магнитный и электрический моменты ядер Ядро, как пространственно ограниченная и связанная система взаимодействующих между собой нуклонов, во многих случаях может рассматриваться в целом как одна микрочастица. Так как нуклоны, из которых состоит ядро, обладают собственным механическим моментом, или спином, а также совершают движение относительно друг друга (орбитальное движение относительно центра инерции ядра), то и ядра должны иметь собственный механический момент (далее просто момент) или спин.
 

Проекция момента По правилу сложения моментов, квантовое число полного момента F может принимать (2I + 1) значений, чем и будет определяться число линий сверхтонкого расщепления. Подсчитав это число и приравняв его числу (2I + 1) непосредственно находим спин ядра (квантовое число спина).

 

Модуль вектора момента Особенно точным методом определения магнитных моментов ядер является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Идея метода заключается в принудительном изменении ориентации магнитного момента ядра (а, следовательно, и спина), находящегося в сильном магнитном поле, под действием слабого высокочастотного магнитного поля определенной (резонансной) частоты ω0.

 

Магнитный момент ядра – основная физическая величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитными моментами обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитные моменты отдельных элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов) обусловлено существованием у них спина (см. пояснения к (1.6.10)). Магнитные моменты ядер складываются из спиновых магнитных моментов протонов и нейтронов, образующих эти ядра, а также из магнитных моментов, связанных с их орбитальным движением внутри ядра по тем же правилам, по которым вычисляется спин ядра.

 

Квантовое число спина Мгновенное значение вектора любого механического момента  не имеет смысла по той же причине, по которой в квантовой механике не имеет смысла мгновенное значение вектора импульса. Строго фиксированное значение может иметь только абсолютная величина вектора момента (1.6.2) и одна из его пространственных проекций, обычно называемой проекцией на ось Z, которая обозначается как Iz.

 

Метод ядерного магнитного резонанса

 

Электрический момент ядра Электрический заряд ядра Z не дает представления о распределении протонов в ядре. Некоторые представления о распределении электрического заряда в ядре и его структуре можно получить с помощью дипольного и квадрупольного  моментов ядра.

 Возбужденные состояния ядер Возбуждение ядра – сообщение ядру дополнительной энергии, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия, и ядро переходит из основного состояния в возбужденное. Ядро является квантовой системой взаимодействующих нуклонов и имеет строго определенный и дискретный набор разрешенных энергетических состояний.
 Четность Поведение изолированных физических систем со временем характеризуются рядом всеобщих законов, таких как законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Совокупность этих законов часто называют интегралами движения. Законы сохранения являются отражением свойств симметрии пространства-времени (мира), в которых движутся тела. Например, сохранение энергии есть следствие однородности времени, то есть неизменности (инвариантности) физических законов относительно изменения начала отсчета времени
 

Четность волновой функции Замечательным свойством для многих изолированных квантовых систем является закон сохранение четности: если изолированная физическая система в момент времени t = 0 имела определенную четность, то система сохраняет свою четность во все последующие моменты времени. Таким образом, четность является таким же интегралом движения, как энергия, импульс или момент импульса. Установлено, что четность сохраняется в процессах, обусловленных сильными (с участием ядерных сил) и электромагнитными взаимодействиями

 Ядерные силы относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ядерных сил до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами. Короткодействие ядерных сил и свойство насыщения, многообразие свойств ядерных сил не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов.
 

Интенсивность ядерного взаимодействия Таким образом, заряженная частица для сближения с ядром или при вылете из ядра должна преодолеть кулоновский барьер.

 

Нецентральный характер ядерных сил Ядерные силы имеют нецентральный характер. Центральными называются силы, которые действуют вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Центральные силы могут зависеть от относительной ориентации спинов частиц, но не должны зависеть от ориентации спинов относительно линии, соединяющей частицы.

 Изотопический спин Сходство свойств у протона и нейтрона позволяет говорить оних как об одной частице - нуклоне, которая может быть в различных состояниях - протонном и нейтронном. Тождественность ядерных свойств нейтрона и протона можно описать с помощью формальной, но очень удобной квантовомеханической характеристики - вектора изотопического спина (изоспина) ядра.
 

Суммарный вектор изотопического спина Рассмотрим систему из двух взаимодействующих между собой нуклонов. По правилам сложения квантовых моментов возможны два значения суммарного вектора изотопического спина Т12 двух нуклонов

  Статистика – коллективное свойство системы взаимодействующих частиц, связанное с неразличимостью частиц и вероятностным характером описания состояний системы в квантовой механике. Определение этого понятия будет дано ниже. Статистика проявляется для систем, состоящих из не менее двух одинаковых микрочастиц. Одинаковые микрочастицы имеют равные массы, электрический заряд, спин и другие характеристики, с помощью которых отличают микрочастицы одного сорта от микрочастиц другого сорта.
 

Квантовая статистика Существует два вида квантовой статистики. Частицы с целым спином (например, фотоны, пионы) образуют системы, которые описываются симметричными волновыми функциями при перестановке любой пары частиц. Частицы такого рода подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и получили название бозонов.

 

Примеры использования статистики В предыдущем параграфе рассмотрены возможные значения вектора изотопического спина для систем, состоящих из двух нуклонов. Так как система состоит из фермионов, то они должна описываться антисимметричной волновой функцией, которая для нуклонов теперь, зависит не только от пространственных координат и проекций спинов, но и от проекций изотопического спина.

Модели атомных ядер

 Необходимость и классификация моделей
 Капельная модель
 

Физический смысл формулы Вейцзеккера

 

Следствия из формулы Вейцзеккера

 Оболочечная модель
 

Построение оболочечной модели

 

Систематика уровней

Радиоактивные превращения ядер
 Определение, виды радиоактивности, радиоактивные семейства
 

Радиоактивные семейства ( ряды )

 Основные законы радиоактивного распада
 

Cреднее время жизни ядра

 

Единица измерения активности - кюри

  Активация
 Альфа – распад
 

Энергия Альфа частиц

 

Анализ Альфа частиц

 

Постоянная распада

 

Теория Альфа – распада

  Бета – распад
 

Электронный Бета – распад

 

Е-захват

 

Регистрация

 

Энергия

 

Гипотеза Паули

 

Правила отбора Ферми

 

Ядерная изомерия

 

Теория Ферми

 Гамма – излучение ядер
 

Образование Гамма квантов

 

Метастабильньми состояния ядер

 

Электроны внутренней конверсии

 

Эффект Мессбауэра

Ядерные реакции

 Основные понятия и классификация
 Механизм ядерных реакций
 

Резонансное рассеяние

 Сечения ядерных реакций
 

Плотность потока частиц

 

Дифференциальное сечение

 

Связь между эффективным сечением и угловым распределением

Законы сохранения в ядерных реакциях
 

Закон сохранения барионного заряда

Импульсная диаграмма и кинематика ядерных реакций
 

Рассмотрение процесса

 

Выходной канал процесса

 

Векторная диаграмма импульсов

 

Энергетический порог

  Реакции под действием заряженных частиц
 

Реакции под действием альфа частиц

 

Реакции под действием протонов

 

Реакции под действием дейтонов

 Термоядерный синтез
 

Положительный энергетический выход

 Фотоядерные реакции
 

Линейная суперпозиция частот

 Реакции под действием нейтронов
 

Источники нейтронов

 

Энергетические группы

 

Взаимодействие нейтронов с ядрами

 

Резонансные процессы

 
Деление ядер
 Открытие и капельная модель
 

Энергетический барьер деления

 

Надбарьерный переход

 Основные свойства деления
 

Кинетическая энергия нейтронов

 

Мгновенные нейтроны деления

 Цепная реакция деления
 

Время нейтронного цикла

 

Цепной процесс

 

Критический и подкритический режим

 

Кинетика цепного процесса

Начертательная геометрия и инженерная графика, перспектива