Природа ядерных сил кратко

Обновлено: 04.07.2024

Природа ядерных сил , удерживающих протоны и нейтроны в атомном ядре, окончательно не установлена. По-видимому, протрны и нейтроны взаимодействуют между собой за счет обмена примерно такого же характера, как обмен электронами между атомами в ковалентных молекулах. Однако в ядрах атомов вместо электронов на молекулярных орбиталях действуют другие элементарные частицы и другие связывающие силы. [2]

Так ясак природа ядерных сил неэлектрическая, то величина их не зависит от заряда частиц. Поэтому величина ядерных сил, действующих между парами нейтрон - нейтрон, протон - протон и нейтрон - протон, одинакова. Однако по мере увеличения атомного номера электростатическое отталкивание между протонами начинает приобретать все большее значение. Поэтому ядра элементов, расположенных IB конце таблицы Менделеева, начиная с таллия, естественно радиоактивны. [3]

Вопрос о природе ядерных сил еще недостаточно выяснен. [4]

Невыясненной оставалась лишь природа ядерных сил , связывающих протоны и нейтроны. [5]

В настоящее время природа ядерных сил недостаточно ясна. Установлено, что они являются так называемыми обменными силами. Обменные силы носят квантовый характер и не имеют аналогии в обычной физике. Нуклоны связываются между собой третьей частицей, которой они постоянно обмениваются. [6]

Основным методом изучения природы ядерных сил является исследование взаимодействия протонов и нейтронов. Имеющиеся в распоряжении физиков экспериментальные факты позволили сделать некоторые предположения о специфическом характере ядерных сил. Установлено, что они обладают способностью к насыщению и убывают с расстоянием значительно быстрее куло-яовских сил взаимодействия. [7]

В настоящее время исследование природы ядерных сил позволяет считать такое представление о нейтроне и протоне достаточно правдоподобным. [8]

Никаких других разумных гипотез о природе ядерных сил мне неизвестно. Таким образом, в настоящее время вопрос о природе ядерных сил является совершенно открытым. Единственное, что мы о них можем сказать с большой степенью уверенности, - это то, что ядерные силы являются силами особого рода и не носят электромагнитного характера. [9]

В 1935 г., пытаясь объяснить природу ядерных сил , действующих между нуклонами, японский физик Юкава выдвинул гипотезу, согласно которой эти силы обусловлены тем, что нуклоны обмениваются частицами, масса которых в 6 - 8 раз меньше массы протона, но в 200 - 300 раз больше массы электрона. В 1947 г. частица Юкавы была обнаружена в космических лучах, а через год - в продуктах распада в ядерном реакторе. Ранее ( 1936 г.) был открыт другой вид мезона, так называемый ц-мезон ( м ю о н), обнаруженный по следу, оставленному в камере Вильсона. [10]

Изучение закономерностей ядерных превращений важно для установления природы ядерных сил и создания теории строения ядра. Изучение ядерных реакций имеет и большую практическую ценность. [11]

Одной из центральных задач ядерной физики фляется выяснение природы ядерных сил . Ядерные силы невозможно отнести ни к одному из других известных видов сил. Они ie могут быть силами электромагнитного происхождения: электрическими потому, что проявляются не только между заряженными, но и между нейтральными частицами ( например, между нейтроном и протоном в дейтоне); магнитными потому, что чисто магнитное взаимодействие между магнитными моментами нуклонов слишком мало. Силы, ответственные за р-распад и гравитационные силы, также не могут быть причиной ядерного взаимодействия, так как и те и другие чрезвычайно - слабы. Кроме того, силы тяготения являются дальнодействующими. [12]

Одной из центральных задач ядерной физики является выяснение природы ядерных сил . Ядерные силы невозможно отнести ни к одному из других известных видов сил. Они не могут быть силами электромагнитного происхождения: электрическими потому, что проявляются не только между заряженными, но и между нейтральными частицами ( например, между нейтроном и протоном в дейтоне); магнитными потому, что чисто магнитное взаимодействие между магнитными моментами нуклонов слишком мало. Силы, ответственные за р-распад, и гравитационные силы, также не могут быть причиной ядерного взаимодействия, так как и те и другие чрезвычайно слабы. Кроме того, силы тяготения являются дальнодействующими. [13]

Юкава ( 1907 - 1981), изучая природу ядерных сил ( см. § 254) и развивая идея советских ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200 - 300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия. [14]

Юкава ( 1907 - 1981), изучая природу ядерных сил ( см. § 254) и развивая идеи отечественных ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200 - 300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия. [15]

В настоящее время исследование природы ядерных сил позволяет считать такое представление о нейтроне и протоне достаточно правдоподобным.

Я вам по секрету скажу, что на данный момент ВСЕ силы считаются обменными :-) И природа всех их не ясна :(
У привычных электромагнитной и гравитационной сил этой самой третьей частицей являются фотон (всем нам привычный) и гравитон (который всё никак не выловят) соответственно.

энергия связей в 1м стакане воды достаточна чтоб вскипятить чёрное или каспийское море. Это природныё аккумулятор энергии тока как его включить.

Никто тебе разумого не скажет ,
Есть только описательные модели…
А природу сил …
Вот гравитация и кулоновское …
Падает, как r^2, влияние одной частицы на другую
(обратно пропорционально площади сферы)
- Лобачевский –Минковский Эйнштейн правда
искривили пространство …
Но … почему, какова природа передачи
взаимодействия ?
Пытаются объяснить что переносят частицы
(Хиггса, например… гравитоны, мезоны… )
Однажды физика спросили … как представляете
взаимодействие … ответил
Два баскетболиста с мячем … мяч – связь,
Не могут друг от друга удалится …

Физика не отвечает на вопрос "почему? ", она отвечает только на вопрос "как? ". "Почему? " - это к философии.
Точнее, физика может ответить на вопрос "почему энергия связи между частицами в атомном ядре такая большая? ": по тому, что частицы связаны сильным взаимодействием (так и называется "сильное"), которое действует только на очень малых расстояниях, но имеет очень большую силу. Но это не будет полноценным ответом на вопрос, т. к. тут же появляется вопрос "а почему оно имеет такую большую силу? ". Даже если ответить и на этот вопрос, в итоге ответ родит новый вопрос. И так до тех пор, пока мы неминуемо не дойдём до ответа "нам неизвестно, почему так, это просто установленный факт".
Кстати говоря, если взять энергию связи отдельного ядра, то она отнюдь не велика. По меркам нашего мира, она ничтожна. Просто ядер даже в очень малом объёме вещества фантастически много.
Ещё добавлю, что энергия, которую вырабатывают на АЭС, получается не за счёт ядерных сил (они как раз только мешают) , а за счёт электромагнитного взаимодействия (оба осколка ядра урана электрически заряжены, а от того с огромной силой отталкиваются) . Так что не стоит думать, что ядерные силы (сильное и слабое взаимодействие) обладают какой-то совсем особой фантастической энергией взаимодействия.

Ядерные силы имеют много особенностей, но у них нет особой природы. Отнюдь. Они кулоновские силы, электростатические. И потому нет необходимости ни в теориях обменных сил, ни в аналогиях с вращением нуклонов или пионов по орбитам атомарного типа.

В. Мантуров, "Ядерные силы — предложение разгадки" [79]

Притяжение нуклонов, ядер возникает, как было выяснено, за счёт их электрон-позитронной структуры (§ 3.2, § 3.9). Заряды e - и e + , расположенные, словно ионы в кристалле соли, периодично, в шахматном порядке, встают друг против друга. За счёт этого, даже нейтральные частицы такой структуры притягиваются (Рис. 125). Это подобно притяжению двух диполей: они нейтральны, но при их взаимной ориентации, возникает сила притяжения, быстро спадающая с удалением (такую электромагнитную природу ядерных сил физики предполагали уже давно [19, с. 228]). Подобный механизм ядерного взаимодействия ведёт к тому, что оно заметно лишь на дистанциях r порядка периода (шага) электрон-позитронной решётки, равного классическому радиусу электрона 10 -15 м. Оттого такой радиус действия имеют и ядерные силы. Физики не обращали внимания на это совпадение, поскольку не могли его объяснить. Когда, в ходе сближения частиц, ядерная сила превысит силу кулоновского отталкивания, ядра станут притягиваться. С этого момента энергия притяжения преобразуется в энергию ядерной реакции, поскольку притяжение придаёт сходящимся ядрам скорость, кинетическую энергию, — как при аннигиляции e - и e + (§ 1.16).

Рис. 125. Силы притяжения частиц со структурой электрон-позитронного кристалла (ядерные силы) и аналогичное взаимодействие диполей.

Аналогично ядерным реакциям, протекает распад-синтез элементарных частиц и выделение энергии. Деление частиц — это не обращение в новые частицы, а распад на составляющие, с сохранением их числа, — как в ядерной реакции сохраняется число протонов и нейтронов. Элементарные частицы, представляющие собой кристаллические комплексы из e- и e+, скрепляются воедино электростатическими силами притяжения, аналогичными ядерным. У ядер и частиц устойчивость, стабильность определяются формой этих кристаллов (§ 3.9). Чем более она совершенна, симметрична, ближе к правильному телу с плоскими гранями, — тем более устойчива, прочна частица. Так и в жизни: прочнее компактные вещи, близкие к кубу, лишённые выступов.

Почему же при делении частица всегда разбивается на одни и те же частицы, — на осколки правильной формы, и распады идут известным путём? Если бить однотипные кирпичи, кубики стекла, их осколки каждый раз будут иметь разные массы и формы, притом неправильные, в то время как частицы разбиваются всегда на известные элементарные частицы, с их строго заданной формой и массой. Всё дело в изотропных (одинаковых во всех направлениях) свойствах кирпичей и стекла, отчего им энергетически безразлично, на какие части ломаться. Зато, у элементарных частиц, за счёт кристаллической структуры, прочность сильно зависит от направления деформации, отчего кристаллы при ударе разваливаются по плоскостям спайности. Вспомним, что частицы, построенные из зарядов e + и e - , подобны кристаллам соли из ионов Na + и Cl - (Рис. 120). Так вот, если ударить молотком по кристаллу каменной соли, он развалится на куски правильной формы — на кубики и параллелепипеды [164]. То же и при распаде частиц, делящихся на правильные фрагменты, — на другие стандартные частицы, причём с заданным соотношением их масс и форм, поскольку частица разбивается на предельно устойчивые части, ломаясь в местах наименьшей прочности. Ведь, как нашли выше, частицы, подобно зданиям, пирамидам, построены из правильных кирпичей, блоков (мезонов, § 3.8), распадаясь при ударе не на мелкую пыль и крошку, а на эти "кирпичи" и крупные блоки из них. Частица может делиться и несколькими путями. Но в этом не больше странного, чем в способности молекул химически делиться двумя-тремя способами. Вероятность данного пути распада определяется прочностью образуемых фрагментов. Чем симметричней, устойчивей возникшие частицы, то есть, чем ниже их остаточная энергия и выше энерговыделение, тем вероятней данный путь распада, что подтверждает и опыт. Потенциальная энергия системы стремится к минимуму.

Рис. 126. Взаимодействие электрона с одномерным знакопеременным распределением заряда.

Чтобы лучше понять природу ядерных сил и изучить их количественно, рассмотрим одномерное периодичное знакопеременное распределение зарядов. Его можно представить зависимостью плотности заряда ? от координаты x в виде

где r₀ — радиус электрона, e — его заряд. Это — как бы набор чередующихся заряженных нитей с поверхностной плотностью ? (Рис. 126). Сила притяжения электрона к тонкой заряженной нити шириной dx, есть

где R — расстояние до элемента dx. Нам важна лишь поперечная к оси х составляющая силы притяжения

где R 2 =z 2 +x 2 . Интегрируя dFz в пределах изменения x от минус до плюс бесконечности, найдём по таблице интегралов силу

Такова сила притяжения к системе электрона, помещённого над положительным зарядом (позитроном, Рис. 126). И с той же силой он будет отталкиваться, находясь напротив отрицательного заряда (электрона), как легко увидеть, изменив знак ?.

Получить двумерное периодичное распределение заряда можно, сложив два одномерных ?(x)=(e/r₀ 2 )cos(x/r₀) и ?(y)=(e/r₀ 2 )cos(y/r₀), как бы переплетя две системы скрещенных заряженных нитей в полотно, ткань, сетку (Рис. 127). Тогда, сила притяжения к такой электрон-позитронной решётке, по принципу суперпозиции, есть просто сумма отдельных сил: F_z+F_z=(e 2 /r₀ 2 ?₀)exp(—z/r₀). Таким образом, электрон притягивается к положительным узлам этой решётки, и сила притяжения экспоненциально спадает с удалением z от плоскости кристаллической частицы. Материя тел и частиц "соткана" из положительных и отрицательных зарядов, словно простая тканая материя — из переплетённых нитей основы и утка, выходящих на поверхность в шахматном порядке, подобно электронам и позитронам, образующим своего рода шахматную доску. Электроны, как магнитные шахматные фигурки, прилипают к этой шахматной доске в точно отведённых им клетках (напротив позитронов, Рис. 101).

Рис. 127. Сложение двух одномерных распределений заряда даёт двумерное, как в электрон-позитронной решётке.

Так же прилипают к электрон-позитронным слоям и протоны с нейтронами. Ведь и сами они подобны кристаллам, образованным электронами и позитронами (§ 3.2, § 3.9). Протон и нейтрон стягиваются гранями так, что электроны одной частицы становятся против позитронов другой и наоборот. Тогда полная сила F притяжения частиц равна сумме сил притяжения всех электронов и позитронов: F=N(e 2 /r₀ 2 ?₀)exp(—z/r₀), где N — число зарядов в контактирующих гранях. То есть, сила сцепления двух протонов или нейтрона и протона спадает с удалением z по экспоненте. Именно такой закон и был открыт для ядерных сил. Причём, предложенный механизм ядерного притяжения сразу объясняет, почему ядерные силы — короткодействующие, а характерный радиус их действия совпадает с классическим радиусом электрона r₀ (порядка 10 –15 м), чего квантовая физика объяснить не могла. Всё дело в том, что множитель exp(—z/r₀) в выражении для F, по мере удаления, быстро стремится к нулю, делая ядерную силу F заметной лишь на расстояниях z порядка r₀ и, практически неощутимой, — на расстояниях б?льших 3r₀.

Выходит, ядерные силы, так же как магнитные и гравитационные, имеют электрическую природу [19, 79]. Два протона при сближении сначала отталкиваются, поскольку сила электрон-позитронного взаимодействия их граней мала. По мере сближения, эта ядерная сила быстро нарастает и, наконец, превосходит силу кулоновского отталкивания. Напомним: протон образуют примерно 900 электронов и 900 позитронов, но позитронов на один больше, чем вызван положительный заряд протонов, который и отталкивает частицы. Силы взаимодействия прочих электронов и позитронов уравновешены. Но, при сближении и взаимной ориентации протонов, за счёт их упорядоченного строения, баланс сил нарушается: возникает притяжение их кристаллических решёток, удерживающее частицы вместе. Влияние взаимной ориентации нуклонов и ядер на степень их взаимодействия, действительно, давно обнаружено [19, с. 319], но от незнания природы ядерных сил и структуры ядерных частиц, этот эффект, подобно магическим числам, не находил объяснения.

Аналогично нуклонам, сцепляются и другие частицы, имеющие кристаллическое строение и крепящиеся друг к другу электронами, встающими напротив позитронов, как детали детского конструктора, с их крепёжными выступами и впадинами, расположенными в шахматном порядке. Интересно, что похожую механико-геометрическую теорию связи микрочастиц, сцепленных плоскими гранями тем прочней, чем больше площадь их контакта (а значит, число N образующих грани зарядов), ещё в середине XVIII века развивал М.В. Ломоносов. Впрочем, поверхности, которыми соприкасаются нуклоны, — это не всегда плоские грани, ибо они могут иметь и более сложную, уступчатую форму, с крупными выступами и впадинами, входящими друг в друга как элементы паззла. В этом случае, площадь контакта частиц и число связей N зарядов — увеличены, отчего увеличена прочность связи. Этим можно объяснить, почему некоторые сочетания нуклонов особенно прочны и стабильны (вспомним магические числа нуклонов, § 3.6), что происходит, когда при соединении они образуют наиболее правильное, законченное и симметричное тело с минимумом выступов, а, значит, — минимумом потенциальной энергии (отсюда же — симметричные плоские грани кристаллов). Так, особенно устойчиво сочетание двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица, или ядро гелия), что легко объяснимо, если каждый их выступ прочно удерживается в ответной впадине, образуя укомплектованную частицу, подобно тому, как четыре элемента на эмблеме "Microsoft Office" составляют законченный паззл в виде ровного квадрата.

Как видим, кристаллическая, бипирамидальная модель ядра не только наиболее проста и естественна, с точки зрения идентичности атомов, но и приводит к изящному объяснению ядерных сил и характера их изменения с расстоянием. Без упорядоченной кристаллической структуры атома и ядра невозможно понять природу оболочек, уровней и спектров. И, вполне закономерно, что известные учёные И. Курчатов и П. Кюри, заложившие фундамент ядерной физики у нас и за рубежом, пришли в эту область не из квантовой физики, а из физики кристаллов, которым посвящены их ранние исследования. Конечно, отчасти квантовая физика справедлива в том, что в микромире есть дискретность, но суть её не в дискретности энергии (кванты), а в дискретности материи, атома, ядра, построенных из упорядоченно, периодично расположенных частиц. Это — истинно атомистический подход. В физике вообще только два пути: один — атомистика, а всё прочее — мистика (§ 5.14). К мистике относится и квантовая механика, и теория относительности, наделяющая пустое пространство свойствами. Согласно же атомистике в мире нет ничего, кроме пустоты, — пустого пространства, не имеющего свойств, и движущихся частиц и тел, наполняющих эту пустоту и подчиняющихся законам механики. Этот принцип постройки справедлив на всех этажах мироздания. Любое тело — это набор частиц, любой процесс, воздействие — это движение частиц, любая энергия — это кинетическая энергия частиц. Мир устроен предельно просто и гармонично!

ОТ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ДО АВТОРУЧЕК

ОТ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ДО АВТОРУЧЕК В атомной промышленности титан не получил широкого применения. Однако наряду с цирконием его используют за рубежом в атомных спец- установках; в сплаве с ванадием рекомендуют в качестве возможного материала для оболочек реакторов на

Переговоры по сокращению стратегических ядерных и обычных вооружений

Переговоры по сокращению стратегических ядерных и обычных вооружений В конце 80-х годов все больше стало проявляться стремление руководства СССР к переговорам с политическими кругами США по сокращению вооружений. Уже довольно плодотворно шли переговоры по сокращению

§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона

§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона Электрические заряды постоянно испускают во всех направлениях частицы, разлетающиеся с постоянной скоростью вдоль прямых линий. Воздействие на заряд зависит лишь от расположения и скорости этих частиц возле

§ 1.17 Природа массы и гравитации

§ 1.17 Природа массы и гравитации Объяснение Цёлльнера, принятое Лоренцем, состоит, как известно, в том, что сила притяжения двух электрических зарядов противоположного знака немного превосходит силу отталкивания двух зарядов одного знака и той же абсолютной величины.

ТАКОВА ПРИРОДА ВЕЩЕЙ

ТАКОВА ПРИРОДА ВЕЩЕЙ …Жаждень узреть и собрать воедино Все, что известно уму твоему. Ираклий Абашидзе Подведем итоги этой главы. Прежде всего нам понятно, что разрушение-процесс неслучайный. Он предопределен самой природой. Возможно, это одно из проявлений второго

Природа предупреждает

Природа предупреждает Итак, мы поняли, что только космизм, т. е., говоря словами Вернадского, научная мысль как планетное явление может продлить существование рода человеческого. Сами же люди, как малолетние дети, еще не знающие, что жизнь имеет конец, радуются каждому

Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях ~10 -13 см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими: при расстояниях между нуклонами, превышающих примерно 2 10 -13 см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1 10 -13 см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется. зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтрон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу.

Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с . Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов.

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов.

4. Радиактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. К числу основных таких превращений относятся: 1) α-распад, 2) β-распад (в том числе К-захват), 3) протонная радиоактивность, 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность  того, что оно испытает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно

dN = –Ndt (9)

(знак минус взят для того, чтобы dN можно было рассматривать как приращение числа не распавшихся атомов N. Интегрирование выражения (9) дает:

lnN = –t + const

откуда получается закон радиоактивного превращения:

N = N₀exp(–t)

где N₀ – количество не распавшихся атомов в начальный момент, N – количество не распавшихся атомов в момент времени t,  – характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Как мы видели, постоянная распада дает вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает превращение в единицу времени.

Таким образом, число радиоактивных атомов убывает со временем по экспоненциальному закону. Заметим, что количество распавшихся за время t атомов определяется выражением:

N₀ – N = N₀(1 – exp(–t)).

Время, за которое распадается половина первоначального количества атомов, называется периодом полураспада Т. Величина Т определяется условием:

½ N₀ = N₀exp(–t),

Т = ln2/ = 0,693/ . (10)

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных веществ колеблемся в пределах от 3 10 -7 сек до 5 10 15 лет.

Может случиться, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь окажутся радиоактивными и будут распадаться со скоростью, характеризуемой постоянной распада . Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т. д. В результате возникнет целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются U 238 (ряд урана), Th 232 (ряд тория) и U 235 (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца: в первом случае Pb 206 , во втором Pb 208 и, наконец, в третьем Pb 207 .

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Было обнаружено, что радиоактивное вещество является источником трех видов излучения. Одно из них под действием магнитного поля отклоняется в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положительно заряженных частиц; оно получило название -лучей. Второе, названное -лучами, отклоняется магнитным полем в противоположную сторону, т. е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля, было названо -лучами. Впоследствии выяснилось, что улучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10 -3 до 1 ангстрема).

Альфа-распад. Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

. (11)

Буквой X обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается возникновением -лучей. Как видно из схемы, атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана U 238 , протекающий с образованием тория:

Скорости, с которыми -частицы (т. е. ядра гелия) вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~10 9 см/сек, кинетическая энергия порядка нескольких Мэв). Пролетая через вещество, -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эв. Таким образом, а-частица образует на своем пути примерно 10 5 пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег -частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег достигает всего нескольких десятков микрон (-частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия -частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и -частицы. Эта избыточная энергия распределяется между -частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Энергии (скорости) -частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказывается строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп -частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

Бета-распад. Существуют три разновидности -распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемом К-захватом (или электронным захватом), ядро поглощает один из электронов К-слоя атома (значительно реже происходит L- и М-захват, т. е. поглощение электрона из L или М-слоя).

Первый вид распада (-распад) протекает по схеме:

. (12)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе -распада, мы приписали (-электрону зарядовое число Z = –1 и массовое число А = 0. Как видно из схемы (12), дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, претерпев превращение по схеме . Вообще процесс по этой схеме представляет собой частный случай процесса (12). Поэтому говорят, что свободный нейтрон-радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием -лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае -распада: дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает -фотон.

В качестве примера -распада можно привести превращение тория Th 234 в протактиний Ра 234 с испусканием электрона и антинейтрино:

Второй вид -распада ( + -распад) протекает по схеме:

. (13)

В качестве примера можно привести превращение азота в углерод:

Как видно из схемы, атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона е + (в формуле он обозначен символом и нейтрино, возможно также возникновение-лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (13), представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде (12). Процесс  + -распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино: .Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов ядра.

Третий вид -распада (К-захват или е-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов (реже один из L- или М-электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино: . Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает-фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

. (14)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи, в результате чего К-захват легко обнаруживается. Примером (К-захвата может служить превращение калия K 40 в аргон Аг 40 :

Протонная радиоактивность. Как показывает само название, при протонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности)..

Спонтанное деление тяжелых ядер – процесс самопроизвольного деления тяжелых ядер на две примерно равные части.

Единица активности. В международной системе единиц (СИ) активность радиоактивных препаратов измеряется числом распадов в секунду. Соответственно единицей активности в этой системе является распад/сек. Допускается применение внесистемных единиц: распад/мин и кюри. Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700 10 10 актов распада в секунду. Применяются дробные и кратные единицы.

Читайте также: