10/05/2013


Презентация изнутри:

Слайд 0

Лекция № 12 Физика ядра Алексей Викторович Гуденко 10/05/2013


Слайд 1

План лекции Состав и характеристики атомного ядра Масса и энергия связи Ядерные силы. Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера.


Слайд 2

История ядерных исследований Естественная радиоактивность солей урана, Анри Беккерель (1896 г.): самопроизвольное испускание невидимых лучей, ионизирующих воздух и вызывающих почернение фотоэмульсий Радиоактивность полония и радия в миллионы раз активнее урана и тория, Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри (1896 г.)


Слайд 3

?-, ?-, ?-излучение ?-, ?-, ?-излучение – процессы внутри ядра, Резерфорд (1910-1911 г.г.) ?-лучи – ядра гелия, наименьшая проникающая и наибольшая ионизирующая способность; поглощаются алюминиевой фольгой микронной толщины. ?-лучи – поток быстрых электронов, поглощаются миллиметровым слоем алюминия. ?-лучи - очень жёсткие рентгеновские лучи, обладают наибольшей проникающей и наименьшей ионизирующей способностью, для защиты от ?-излучения применяют свинцовые листы.


Слайд 4

?- и ?- лучи отклоняются магнитным полем, на ?-лучи магнитное поле не действует


Слайд 5

Состав ядра Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Протон (p): mp = 1836,15 me = 1,673 10-24 г = 938,3 МэВ qp = +e = 1,602 10-19 Кл = 4,8 10-10 ед. СГС стабильная частица (? ? 1032 лет), но внутри ядра : p > n + e+ + ?e Нейтрон (n) (Чедвик, 1932 г.): mn = 1838,68 me = 939,6 МэВ электронейтрален; mn > mp на 2,5 me (0,14%) Время жизни свободного нейтрона ? ? 900 с =15 мин: n > p + e- + ?e (me = 0,511 МэВ)


Слайд 6

?- и ?- распад


Слайд 7

Состав ядра zAX Массовое число A = Z + N Z – зарядовое число (= числу протонов = порядковый номер элемента) N – число нейтронов. Изотопы – атомы с одним Z, но с разными N: 23He и 24Не Изобары – атомы с одним A, но с разными Z: 13H - тритий и 23He – изотоп гелия 1 а.е.м. = 1/12 M(12C) = 931,502 МэВ


Слайд 8

Размеры ядра и плотность ядерного вещества. Средняя плотность для всех ядер с A > 10 практически одинакова > V ~ A > R ~ A1/3: R = r0A1/3фм r0 = 1,23 10-13 см = 1,23 фм (фм – Ферми) Плотность ядерного вещества: ? = M/V = Amp/(4/3?r03A) = mp/(4/3?r03) = 2*1014 г/см3 При такой плотности Солнце сжалось бы до размера шарика диаметром ~ 30 км (!) – характерный размер нейтронных звёзд.


Слайд 9

Внутриядерные силы. Мезонная теория Хидеки Юкавы (1935 г.) Нуклоны удерживаются в ядре сильным взаимодействием Радиус действия ? ~ 10-13 см = 1 Фм (Ферми) Переносчики сильного взаимодействия - глюоны Переносчики электромагнитного взаимодействия – фотоны: Отталкивание электронов – результат обмена виртуальными фотонами. На время обмена нарушается закон сохранения энергии: ???t ~ ћ Радиус взаимодействия ? ~ c?t ~ cћ/?? = ћ/mc – комптоновская длина волны частицы массой m: чем меньше масса частица тем больше радиус взаимодействия. Для фотонов: m = 0 > ? = ? Для ядерных сил ? = 1,3 10-13 см > масса переносчика m = ћ/?c = 140 МэВ (Юкава, 1935 г.) Мюоны (?±) открыты в космических лучах (1937 г.): m? = 106 МэВ Пионы (?±, ?0) открыты в космических лучах (1947 г.): m? ? 140 МэВ


Слайд 10

Энергия связи ядра Энергия связи ядра ?св – минимальная работа, необходимая для разделения ядра на составляющие его протоны и нейтроны: ?св = Zmp + Nmn – M(Z,N) Пример: ?св(24He) = ? mp = 1,0072764 а.е.м., mn = 1,008665 а.е.м., M? = 4,001506 а.е.м. ?св = 2mp + 2mn – M? = 0,030 а.е.м. = 28,38 МэВ Удельная энергия связи – энергия связи в пересчёте на один нуклон: ?уд = ?св/А. для ?-частицы ?уд = 7,1 МэВ.


Слайд 11

Дефект массы в химических реакциях H2 + O = H2O Температура T ~ 1300 K средняя энергия на одну молекулы воды: ? = 3 (3/2 kT) ? 7,9*10-13 эрг ? 0,5 эВ Относительное изменение массы: ?/18mp ? 3*10-11 = 3*10-9 % - недоступная измерению величина.


Слайд 12

Зависимость удельной энергии связи ? = ?св/А от массового числа.


Слайд 13

Зависимость удельной энергии связи ? = ?св/А от массового числа. Максимум энергии связи ?max = 8,7 МэВ приходится на железо 56Fe – «железный максимум». Два способа получения ядерной энергии: 1. Деление тяжёлых ядер (тяжёлым ядрам выгодно разделиться) 2. Слияние (синтез) легких ядер (лёгким выгодно слиться)


Слайд 14

Задача: Рассчитать, сколько энергии выделяется при делении 1 г урана. Решение: Для урана А ? 240. При его делении на два осколка примерно одинаковых масс A1 = A2 ? 120. Удельная энергия увеличивается от ?240 ? 7,5 МэВ до ?120 ? 8,5 МэВ > на один нуклон: ?? = ?240 - ?120 = 1 МэВ при делении 1 г урана высвобождается энергия: E = N A ?? = m NA ?? = 1* 6*1023 1 МэВ = 6 1023 МэВ ? 1011 Дж


Слайд 15

Атомные станции мира


Слайд 16

Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера Ядро – капля несжимаемой положительно заряженной жидкости. ?св = СобA - CповА2/3 - СкулZ2A-1/3 – Cсим(А – 2Z)2A-1 + CспарA-3/4? Соб = 15,6 МэВ; Спов = 17,2 МэВ; Cкул = 0,72 МэВ; Ссим = 23,6 МэВ; Сспар = 34 МэВ ? = +1 – для чётно-чётных ядер ? = 0 – для ядер с нечётным А ? = -1 – для нечётно-нечётных ядер


Слайд 17

Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера СобA – определяет линейную зависимость энергии связи от числа нуклонов - свойство насыщения ядерных сил: каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседями. СповА2/3 – уменьшает энергию связи из-за увеличения энергии поверхностных нуклонов (аналог поверхностного натяжения): количество поверхностных нуклонов ~ R2 ~ A2/3. СкулАZ2A-1/3 – уменьшение энергии связи из-за кулоновского отталкивания. Для однородно заряженного шара W = 3q2/5R ~ Z2/A1/3 Cсим(А – 2Z)2A-1 – наиболее устойчивы ядра с Z ? N. CспарA-1/3? – чётно-чётные ядра самые прочные, самые непрочные - нечётно-нечётные.


Слайд 18

Самый устойчивый изобар Изобары отличаются зарядовым числом Z при заданном А Ищем максимум ?(Z,A): ??(Z,A)/?Z = 0 > Zmax = A/{2 + (Cкул/2Ссим)А2/3} = A/{2 + 0,015А2/3} более точная формула, учитывающая различие масс mn ? mp Zmax = A/{1,97 + (Cкул/2Ссим)А2/3} Для железа А = 56 > Zmax = 26


Слайд 19

Зависимость удельной энергии связи ? = ?св/А от массового числа.


×

HTML:





Ссылка: