textarchive.ru

Главная > Учебно-методическое пособие

1

Смотреть полностью

Данилова О.Т.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Учебно – методическое пособие

Омск

2009

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПОРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОМСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Кафедра «Торговое дело»

Данилова О.Т.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Учебно – методическое пособие

Для студентов, обучающихся по специальности:

080401 «Товароведение и экспертиза товаров

(продовольственных, непродовольственных)»

Омск

2009


УДК 53 (075.4)

Д 18

Рецензенты:

Широков И.В., д.ф.-м.н., профессор Омского филиала НГАВТ

Худякова О.Д., заместитель директора по научно-методической работе, к.т.н., Омского института (филиала) РГТЭУ

Данилова, О.Т. Физика атомного ядра: Учебно–методическое пособие. / О.Т. Данилова – Омск: Издатель ИП Погорелова Е.В., 2009. – 138 с.

Учебно – методическое пособие предназначено для студентов очной, заочной форм обучения по специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров (продовольственных, непродовольственных)» по курсу «Физика». Оно содержит общие рекомендации к решению и оформлению задач, указания к решению задач по теме «Физика атомного ядра», примеры решения, вопросы для самоконтроля, задачи для самостоятельного выполнения контрольных работ в межсессионный период.

УДК 53 (075.4)

 Данилова О.Т., 2009

 Омский институт (филиал) РГТЭУ, 2009.


Методические указания к выполнению самостоятельной работы.

Требования к оформлению контрольных заданий и разъяснения по использованию таблиц.

Настоящее учебно – методическое пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 080401 «Товароведение и экспертиза товаров (продовольственных, непродовольственных)» по курсу «Физика» и рабочей учебной программе дисциплины, в частности теме «Физика атомного ядра» /1/.

Учебно- методическое пособие преследует две цели:

а) оказать помощь студентам различных форм обучения в изучении темы «Основные положения молекулярно – кинетической теории»;

б) научить студентов самостоятельно решать задачи по физике, поскольку решение задач помогает уяснить смысл явлений, закрепляет в памяти формулы, прививает навыки практического применения теоретических знаний.

Для достижения первой цели в пособии приведен теоретический материал по заданной теме и контрольные вопросы. Вторая цель достигается прежде всего введением значительного числа разнообразных задач и примеров их решения.

Самостоятельную работу выполняют в отдельной тетради. Для замечаний преподавателя оставляют поля. В конце работы следует привести список использованной литературы.

При выполнении работы следует руководствоваться следующими рекомендациями.

1. Приступая к изучению определенного раздела физики, прежде всего следует ознакомиться с содержанием программы по этому разделу /1/.

2. Начиная изучать материал какого – либо параграфа, прежде всего следует прочесть весь параграф для общего ознакомления, не задерживаясь на трудном материале. При повторном чтении рекомендуется вдумываться в смысл приведенного материала, а выводы формул, определения физических величин, единицы их измерения, а также формулироввки законов записывать, используя в затруднительных случаях учебник /2/. Материал можно считать усвоенным, если при его повторении не возникает необходимости заглядывать в книгу или свои предварительные записи (конспект).

Контрольные задания оформляются в обычной тетради (в клетку) или в сброшюрованных листах форматом А4. На титульном листе указываются:

- Ф И О студента, номер группы;

- название контрольного задания и номер варианта.

Порядок оформления решения задач

1. После слова "дано" выписать все величины с их числовыми значениями, которые будут использованы в процессе решения задачи. Числовые значения, исключая те случаи, когда определяются безразмерные отношения, тут же переводить в систему СИ, проставляя рядом соответствующее наименование. После слова "найти" выписать все искомые величины (или отношения величин) со знаком вопроса.

2. Указать те основные законы и формулы, на которых базируется решение данной задачи, и привести их словесную формулировку. Разъяснить смысл буквенных обозначений, входящих в исходную формулу. Если такая формула является частным случаем фундаментального закона, то ее необходимо вывести из этого закона, используя граничные условия.

3. Сделать чертеж или график, поясняющий содержание задачи (в тех случаях, когда это возможно). Выполнить его надо аккуратно, желательно размером на полстраницы, при помощи карандаша, циркуля, линейки, лекал. На чертеже или графике должны быть нанесены обозначения всех буквенных величин, которые используются в расчетных формулах и могут быть пояснены чертежом.

4. Каждый этап решения задачи сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями.

5. Физические задачи весьма разнообразны и дать единый рецепт их решения невозможно. Однако, как правило, физические задачи следует решать в общем виде, т.е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условиях задачи и взятых из таблицы. При этом способе не производятся вычисления промежуточных величин; числовые значения подставляются только в окончательную (рабочую) формулу, выражающую искомую величину. Рабочая формула должна быть записана в рационализированной форме, все величины, входящие в нее, выражены в единицах СИ.

6. Подставить в рабочую формулу наименование единиц (в которых выражены заданные числовые значения) и путем упрощающих действий с ними убедиться в правильности наименования искомой величины.

7. Подставить в рабочую формулу числовые значения, выраженные в единицах одной системы (рекомендуется - в СИ). Несоблюдение этого правила приводит к неверному результату. Исключение из этого правила допускается лишь для тех однородных величин, которые входят в виде сомножителей в числитель и знаменатель формулы с одинаковыми показателями степени. Такие величины можно выразить в любых единицах, но обязательно в одинаковых.

8. Произвести расчеты с величинами, подставленными в рабочую формулу, записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование единиц измерения искомой величины.

9. При подстановке в рабочую формулу, а также при выражении ответа числовые значения величин записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на десять в соответствующей степени. Например, вместо 3520 надо записать 3,52103 , вместо 0,00129 записать 1,2910-3 и т.д. Рекомендуемая запись числовых значений облегчает расчетные действия с ними, является более компактной и наглядной.

10. Все задачи полезно решать до конца в общем виде (т.е. в буквенных обозначениях), так чтобы искомая величина была выражена через заданные величины. Решение в общем виде позволяет установить закономерность, показывающую, как зависит искомая величина от заданных величин.

11. Получив решение в общем виде, следует подставить в правую часть рабочей формулы вместо символов величин обозначения единиц, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. Неверная единица измерения есть явный признак ошибочности решения.

12. Числовые значения физических величин всегда являются приближенными. Поэтому при расчетах необходимо руководствоваться правилами действий с приближенными числами. В частности, в полученном значении вычисленной величины нужно сохранить в последнем тот знак, единица которого еще превышает погрешность этой величины. Все следующие цифры надо отбросить.

13. При подстановке в рабочую формулу, а также при записи ответа числовые значения следует записывать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 3520 надо записать , вместо 0,00129 записать и т.д.

14. Получив числовой ответ, оцените его правдоподобность. Такая оценка поможет в ряде случаев обнаружить ошибочность полученного результата. Так, например, радиус атома не может быть порядка 1 м, скорость тела нее может оказаться больше скорости света в вакууме и т.п.

По данной теме студенты должны выполнить самостоятельную работу, содержащую 5 задач различного уровня сложности и два контрольных вопроса.

По степени сложности задачи различают по трем уровней:

- репродуктивные, связанные с воспроизведением информации в том виде, в котором она излагалась в учебном издании или преподавателем;

- стереотипные, представляющие собой выполнение работы по образцу;

- творческие, предполагающие самостоятельное отыскание способа выполнения задания.

Номера задач и вопросов, а также срок сдачи задания определяются преподавателем.

Навыки в решении задач оцениваются преподавателем по результатам проверки самостоятельной работы и опроса студентов на практических занятиях.

Критерии оценивания индивидуальных заданий

В каждом модуле студент должен решить и защитить 3 задачи. Одна задача оценивается в 20 баллов.

20 баллов

Задача решена верно. В оформлении присутствует «Дано», «Найти», чертеж. Указаны основные законы и формулы, на которых базируется решение, разъяснены буквенные обозначения в формулах, выведена расчетная формула. Проведена проверка единиц измерения. Студент отвечает на вопросы по решению задачи.

17

баллов

В решении отсутствуют разъяснения обозначений, нет проверки единиц измерения, при вычислении допущены арифметические ошибки, которые ставят под сомнение правдоподобность численного ответа. Студент не всегда поясняет ход решения.

13

баллов

В решении имеются недочеты, нет чертежа, нарушена логика решения задачи. Студент затрудняется отвечать на отдельные вопросы.

Верно решенная задача, сданная повторно (в первый раз решение было не верно).

9

баллов

В решении присутствуют элементы верного решения, но при выводе расчетной формулы допущены ошибки. При решении используется "готовая" формула.

5

баллов

Задача решена правильно, но студент не может пояснить ход решения задачи: очевидно, что решение задачи – плод чужого труда.

Правильно решеннаязадача без «защиты».

1. Модели атомного ядра

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д.Томсону. Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся "планеты" - электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество "распределено" по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И.Менделеева. Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона .

Резерфорд, усомнившись в этой модели, провёл опыты по изучению рассеяния -частиц. Его опыт состоял в следующем. Схема этого эксперимента Резерфорда приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Схема эксперимента Резерфорда.

Αльфа-частицы, излучаемые источником А, пролетев сквозь щель, попадали на экран из сернистого цинка Э. На экране возникало четкое изображение щели в виде узкой полоски.

Затем между щелью и экраном помещалась тонкая металлическая пластина, вернее, - тонкая золотая фольга Ф. При этом изображение щели на экране размывалось, что и указывало на рассеяние α-частиц веществом пластинки.

Именно в этом эксперименте был установлен поразительный факт: очень небольшая часть α-частиц (примерно 1 из 10000!) рассеивалась на значительный угол, отбрасывалась практически назад - к источнику. Позднее статистическая обработка результатов исследования рассеяния α - частиц позволила рассчитать линейный размер ядра атома. Он, по оценке Резерфорда, составил 10-15 м.

Планетарная модель атома с центральным положительно заряженным ядром и с электронами, вращающимися вокруг него по круговым орбитам, была лишь качественным представлением строения атома.

При изучении - частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание - частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели. 7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад "Рассеяние и -лучей и строение атома". В докладе он, в частности, говорил: "Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве и -частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала". Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. "Точное значение заряда центрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, - но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда".

Резерфорд постулировал движение электронов по круговым орбитам, так как статическая модель атома с неподвижными зарядами оказывалась неустойчивой системой.

Но движущиеся по круговой орбите электроны, должны излучать энергию. Ведь согласно законам классической электродинамики, любой ускоренно движущийся заряд является источником электромагнитных волн. Такое непрерывное излучение энергии должно было очень быстро привести к истощению энергии атома и к падению электрона на ядро.

Такое рассеяние -частиц нельзя объяснить, исходя из модели атома Томсона. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома, названную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома и обладающего положительным зарядом, вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. При этом размеры ядра много меньше размеров атома и заряд ядра равен суммарному заряду электронов по абсолютной величине.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронной модели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создал на ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционный характер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критические замечания, после чего статьи Бора были опубликованы. Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лаборатории Резерфорда. В 1915 году он опубликовал работы "О сериальном спектре водорода" и "О квантовой теории излучения в структуре атома". В 1916 году была опубликована статья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье. Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора - Зоммерфельда. В 1936 году Бор выступил со статьей "Захват нейтрона и строение ядра", в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Странно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра, подсказываемое капельной моделью, пока в начале 1939 г. не было открыто деление урана.

Капельная модель основана на аналогии между поведением молекул в капле жидкости и нуклонов в ядре – короткодействие ядерных взаимодействий, одинаковая плотность ядерного вещества в разных ядрах (несжимаемость), свойство насыщения ядерных сил. Она трактует ядро как каплю электрически несжимаемой жидкости, подчиняющуюся законам квантовой механики.

Капельная модель объяснила механизмы ядерных реакций, особенно реакции деления ядер, а также позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре.

Оболочечная модель - это модель, в которой нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально – симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули.

Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов.

Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми – это, так называемые, магические ядра, у которых число протонов Z или нейтронов N равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Ядра, у которых магическими являются и Z, и N, называются дважды магическими.

В 1932 году Д.Д.Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона. В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

2. Строение ядра

Ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд.

Наряду с термином ядро атома часто используется также термин нуклид.

Ядро состоит из протоновр, имеющих заряд +е и нейтроновn – нейтральных частиц. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона (е=). Нейтрон не имеет электрического заряда. Количество нейтронов в ядре N.

Прежде чем дать массу нейтрона и протона, отметим, что в атомной и ядерной физике масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.).

Одна а.е.м. равна 1/12 массы наиболее распространенного изотопа углерода, что в единицах СИ составляет 1,6610-27кг, чаще масса измеряется в единицах энергии – электрон-вольтах (1эВ=1,610-19Дж).

Учитывая соотношение Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mc2 , можно показать, что одной а.е.м. соответствует энергия Е=1,66 10-27(3 108)2 /(1,6 10-19)=931,5 МэВ.

Итак, масса нейтрона mn=1,00867 а.е.м. или mn=939,6 МэВ, масса протона mp=1.00728 а.е.м. или mp=938,3 MэВ (масса электрона me=5,48610-4а.е.м. или me=0,511 МэВ).

Заряд ядра Ze, где Z – порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, равный числу протонов в ядре.

Протоны и нейтроны называют одним словом нуклоны. Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание, одноименно заряженных протонов.

Если N – число нейтронов в ядре, то число нуклонов A=Z+N называют массовым числом.

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А.

Принято следующее обозначение ядер , где X– символ элемента.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами.

Пример: изотопы урана

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп урана . Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми. Все они получены искусственно в результате ядерных реакций.

Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Zе, называются изобарами.

Пример:

Размер атома составляет единицы ангстрем (1А=10-10м), а ядра  10-4 – 10-5А.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра, так как далеко не все ядра имеют сферическую форму и, кроме того, неясно, что следует понимать под поверхностью ядра, поскольку она образуется непрерывно движущимися нуклонами. Средний радиус сферического ядра приближенно вычисляют по формуле

,

(2.1)

где м.

Отсюда объем ядра V=V0A, т.е. пропорционален числу нуклонов А. Плотность ядерного вещества очень велика: 1017кг/м3 и постоянна для всех ядер. Если бы Земля имела такую большую плотность, то ее радиус был бы  200м, а не 6400 км.

Примеры решения задач

1.Определите состав ядра .

Решение. В ядре урана число нуклонов (массовое число) А=Z+N=235, а число протонов Z=92, число нейтронов N=A-Z=235-92=143.

2. Каков состав ядра атома лития ?

Решение. Ядро состоит из прготонов и нейтронов. Заряд ядра обусловлен количеством протонов в ядре, следовательно, он равен порядковому номеру элемента Z. По массовому числу А определяют количество протонов и нейтронов в ядре (их сумму), следовательно, количество нейтронов в ядре

N=A-Z.

В ядре лития 3 протона (Z=3) и 7-3=4 нейтрона.

3. Найти радиус ядра изотопа .

Решение. см.

4. Найти, сколько ядер дейтерия и кислорода содержится в 1 тяжелой воды?

Решение. так как число килограммов вещества в 1 есть его плотность , то число молекул в 1 вещества равно , а в 1 - равно .

Формула тяжелой воды . Однако в число молекул воды входят молекулы, содержащие не только , но также и ; процентное содержание различных изотопов кислорода в природной массе обозначим соответственно a, b и с.

Атомные массы этих изотопов обозначим , , , а атомную массу дейтерия – через . Тогда молекулярные массы различных соединений , входящих в природную тяжелую воду, равны соответственно

а.е.м.

а.е.м.

а.е.м.

Средняя молекулярная масса природной тяжелой воды

=++

+20,05 а.е.м.

Обозначив плотность тяжелой воды при С через , найдем, что число молекул в 1 при С равно

.

Так как в молекуле тяжелой воды содержатся два атома дейтерия и один атом кислорода, то число ядер дейтерия в 1 при С равно

.

Число ядер кислорода в тех же условиях равно

.

3. Спин ядра и его магнитный момент

Собственный момент импульса ядра – спин ядра - векторная сумма спинов нуклонов (равен ½) и орбитальных моментов импульса нуклонов (момента импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра).

Спин ядра квантуется по закону

,

где - постоянная Планка, I – спиновое квантовое число, которое принимает значение 0, 1/2, 1, 3/2 ,…

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра

,

где - коэффициент пропорциональности, называемый ядерным гиромагнитным отношением.

Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон:

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра.

4. Ядерные силы

В состав ядра кроме нейтронов входят положительно заряженные протоны и они должны бы отталкиваться друг от друга, т.е. ядро атома должно бы разрушиться, но этого не происходит. Оказывается, на малых расстояниях (например, внутри ядра) между этими частицами действуют мощные ядерные силы, по сравнению с которыми электромагнитные силы в сотни раз слабее. В пренебрежении электромагнитными силами протон и нейтрон обладают одинаковыми свойствами: при прочих равных условиях ядерные силы, действующие между двумя протонами, равны ядерным силам, действующим между двумя нейтронами, а также между нейтроном и протоном.

Ядерные силы обладают насыщенностью, т.е. нуклоны взаимодействуют лишь с ближайшими соседними нуклонами.

В настоящее время в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах. К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы: упругие, вязкие, молекулярные, химические и пр. Слабые взаимодействия вызывают, в частности, - распад радиоактивных ядер. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.

Сильные и слабые взаимодействия – короткодействующие, т.е. они проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий 10-15 м, а слабых 210-18м. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими; они убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами. По такому же закону убывают и гравитационные силы. Поэтому отношение Fэл/Fгр не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами, т.е.

Fэл/Fгр=q1q2/(Gm1m2).

Для взаимодействия двух протонов эта формула дает Fэл/Fгр1,231036. Поэтому в физике микромира гравитационное взаимодействие не учитывается. Но в макромире при рассмотрении движения больших масс: галактик, звезд, планет и пр., а также при рассмотрении движения небольших макроскопических тел в поле таких больших масс гравитационное взаимодействие становится определяющим.

Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5 2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.

Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом.

Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Приведем перечень свойств ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются короткодействующими;

3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: притяжение между любыми двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтронного)

4) ядерные силы имеют неэлектрическую природу:

5) ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

6) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например протон и нейтрон образуют дейтрон – ядро изотопа дейтерия - только при условии параллельной ориентации их спинов;

7) ядерные силы не являются центральными, т.е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

5. Радиоактивность

Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895г. Сообщение об открытии датировано 28 декабря. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они возникают там, где стенки трубки сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей. В понедельник 20 января 1896 г. Анри Пуанкаре на заседании Парижской Академии рассказал об открытии новых лучей, демонстрировал рентгеновские снимки и высказал предположение, что рентгеновское излучение связано с флюоресценцией и, возможно, возникает всегда в люминесцирую-щих веществах и никакой катодной трубки для получения Х-лучей не надо. Среди участников заседания был Анри Беккерель, отец и дед которого - оба физики - в свое время занимались флюоресценцией и фосфоресценцией. Беккерель решил проверить гипотезу Пуанкаре. Еще в феврале 1896 г. А. Беккерель демонстрировал действие флюоресцирующего сернистого цинка на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Беккерель решил использовать соли урана. Он взял из коллекции минералов своего отца двойной сульфат уранила калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо видно изображение металлической фигуры, той самой фигуры, которая покрывалась до опыта солью урана. Повторные опыты Беккереля дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 г. он доложил академии о результатах опытов. Казалось, что гипотеза Пуанкаре полностью подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольные опыты. К концу февраля он приготовил новую пластинку. Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 марта. Утро 1 марта было солнечным, и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки, лежавшие несколько дней в темном шкафу. На проявленных пластинках четко обозначились силуэты образцов минералов, лежавших на непрозрачных экранах пластинок.

Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Беккерель немедленно ставит повторные опыты. Оказалось, чтo соли урана сами по себе без всякого внешнего воздействия испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачные слои. 2 марта Беккерель сообщил о своем открытии

Длинным рядом экспериментов Беккерель шаг за шагом опровергал гипотезу Пуанкаре. Оказалось, что лучи могут испускать только соединения урана- это «урановые лучи», или «лучи Беккереля», как их потом стали называть. Они способны ионизировать воздух и разряжать заряженный электроскоп. Способность урана испускать лучи не ослабевала месяцами. 18 мая 1896 г. Беккерель со всей определенностью констатировал наличие этой способности у урановых соединений и описал свойства излучения. Но чистый уран оказался в распоряжении Беккереля только осенью, и 23 ноября 1896 г. Беккерель сообщил о свойстве урана испускать невидимые «урановые лучи» вне зависимости от его химического и физического состояния.

Радиоактивность есть самопроизвольное изменение состава ядра, происходящее за время, существенно большее характерного ядерного времени.

Условились считать, что изменение состава ядра должно происходить не раньше, чем через 10-12с после его рождения. Распады ядер часто происходят значительно быстрее, но такие распады не принято относить к радиоактивным. Время 10-12с в ядерных масштабах должно считаться очень большим. За такое время совершается множество внутриядерных процессов, и ядро успевает полностью сформироваться.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям называют радиоактивными, а не подверженные - стабильными.

Большая часть радиоактивных ядер получена искусственно путем бомбардировки мишеней различными частицами.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. Им удалось доказать методом камеры Вильсона, что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их частицами полония. Жолио и Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов. Они впервые искусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе, и были награждены за это выдающееся открытие Нобелевской премией.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

6. Закон радиоактивного распада

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернееядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием -фотона.

При решении задач на явление радиоактивности, связанных с радиоактивным распадом, пользуются законом радиоактивного распада: число радиоактивных ядер – dN, распадающихся за промежуток времени между t и t+dT, пропорционально этому промежутку dtи числу ядер N, еще не распавшихся к моменту t, т.е.

(6.1)

где - постоянная радиоактивного распада, или

(6.2)

где N0 – число радиоактивных ядер в момент t=0.

Период полураспада , т.е. промежуток времени, за который распадается половина начального числа ядер, и постоянная распада связаны соотношением

(6.3)

Число радиоактивных распадов в единицу времени называется активностью.

7. Метод определения периода полураспада радиоактивного изотопа

Из соотношения (6.1) скорость радиоактивного распада запишется так:

(7.1)

Подставив в (9) значение из (5) и N из (6), получим:

(7.2)

Записав это уравнение для двух различных моментов времени t1 и t2, и решая их совместно относительно Т1/2, можно получить соотношение, пригодное для практического определения периода полураспада радиоизотопа.

Действительно, пусть

(7.3)

скорость распада атомов изотопа в момент времени t1 (n1– число атомов, распадающихся за единицу времени), а

(7.4)

в момент t2.

Разделим (7.3) на (7.4)

(7.5)

После логарифмирования равенства (13) получим:

(7.6)

Отсюда окончательно имеем

(7.7)

Измерив скорость распада n1 в момент времени t1 и n2 в момент времени t2, легко вычислить период полураспада T1/2 радиоактивного элемента (вещества). Правда, надо отметить, что для получения приемлемой точности полученного результата интервал времени между измерениями должен составлять несколько суток.

8. Примеры решения задач

1. Зная постоянную распада ядра, определить вероятность Р того, что ядро распадается за промежуток времени от 0 до t.

Решение. Процесс радиоактивного распада носит статистический характер, а это значит, что если многократно повторять опыты с радиоактивным препаратом, содержащим достаточно большое начальное число ядер , то за промежуток времени от 0 до t распадается каждый раз одна и та же доля ядер . Эта величина, характеризующая относительную частоту события – распада ядра, и принимается за вероятность Р распада ядра в течение данного промежутка времени. Таким образом

где - число нераспавшихся ядер к моменту времени t. Подставив в это равенство вместо N его значение по закону радиоактивного распада и произведя сокращение, получим ответ:

.

2. Определить, сколько ядер в =1,0 мг радиоизотопа церия распадается в течение промежутков времени:

1) =1с; 2) =1 год.

Период полураспада церия Т=285 сут.

Решение. Задача решается с помощью закона радиоактивного распада.

1. Так как , то можно считать, что в течение всего промежутка число нераспавшихся ядер остается практически постоянным и равным их начальному числу . Тогда для нахождения числа распавшихся ядер применим закон радиоактивного распада, записав его так:

или учитывая, что период полураспада Т и постоянная распада связаны соотношением

Чтобы определить начальное число ядер (атомов) , умножим постоянную Авогадро на число молей , содержащихся в данном препарате:

где - начальная масса препарата, - молярная масса изотопа , численно равная (приблизительно) его массовому числу. С учетом предыдущего выражения получим

.

Выразим числовые значения величин, входящих в полученную формулу, в единицах СИ:

Произведя вычисления с учетом того, что ln2 = 0,693, найдем .

2. Так как теперь - величины одного порядка, то дифференциальная форма закона радиоактивного распада здесь неприменима. Поэтому для решения задачи воспользуемся интегральной формой закона, справедливой для любого промежутка .

Тогда получим .

Или .

Так как , то уравнение принимает более простой вид

.

Произведя вычисления, получим .

3. Радиоизотоп с постоянной распада превращается в радиоизотоп с постоянной распада . Считая, что в начальный момент препарат содержал только ядра изотопа , найти, через сколько времени активность радиоизотопа достигнет максимума?

Решение. Активность препарата пропорциональна числу наличных ядер N этого препарата. Поэтому активность а радиоизотопа достигнет максимума тогда, когда максимальным будет число ядер этого радиоизотопа. Закон изменения со временем числа ядер выражается формулой (3). Для отыскания промежутка времени t, которому соответствует максимум функции , продифференцируем эту функцию по времени и приравняем к нулю производную:

Отсюда

Решив это уравнение относительно t, найдем искомое время

9. Активность радиоактивного препарата

Активность любого радиоактивного препарата, в котором ежесекундно распадается N радиоактивных атомов, выражается формулой

.

(9.1)

Единица активности в СИ – беккерель(Бк). 1 Бк – это активность, при которой за 1с происходит один распад ядра.

Часто используется внесистемная единица активности – кюри (Ки), 1Ки=3,71010Бк.

Активность радиоактивного препарата уменьшается со временем по экспоненциальному закону

(9.2)

Для долгоживущих радиоактивных элементов с большим периодом полураспада удельная активность (активность единицы массы) вычисляется по формуле

(9.3)

где – число Авогадро; M – атомная масса радиоактивного элемента, в а.е.м.; N – число ядер в 1 кг этого элемента.

Активность образца C с массой m кг, атомной массой M а.е.м. и периодом полураспада определяется формулой

(9.4)

Если радиоизотоп с постоянной распада превращается в радиоизотоп с постоянной распада , то число ядер радиоизотопа изменяется со временем по закону

(9.5)

где - число ядер радиоизотопа в момент t=0.

10. Примеры решения задач

1. Найти активность радона, образовавшегося из = 1,0 г радия за одни сутки. Найти также максимальную активность радона. Периоды полураспада радия и радона соответственно равны лет, сут.

Решение. Используя соотношения (8) и (10), запишем для искомой активности

.

Входящие сюда величины выразим через данные , , по формулам:

и .

Тогда, произведя сокращения, имеем

.

Это общая формула, выражающая закон изменения со временем активности одного радиоизотопа (дочернего), полученного в процессе распада другого (материнского). Если учесть вытекающие из условия соотношения и , эту формулу можно упростить. Из первого неравенства следует, что можно пренебречь величиной в разности -. В силу второго неравенства можно принять за единицу первый член, стоящий в скобках. Тогда найдем

.

Произведя расчет, получим

расп/с,

или

Ки =0 б17 Ки.

Анализируя полученную приближенную формулу, с учетом неравенств и , видим, что с ростом времени t величина, стоящая в скобках, приближается по экспоненте к единице. Следовательно,

расп/с=1б0 Ки.

2. Определить начальную активность радиоактивного препарата магния-27 массой 0,2 мкг, а также его активность через время 6 часов.

Решение. Активность А изотопа характеризует скорость радиоактивного распада и определяется отношением числа dN ядер, распавшихся за интервал времени dt, к этому интервалу

А = - , (1)

знак "-" показывает, что число N радиоактивных ядер с течением времени убывает.

Для того, чтобы найти dN/dt, воспользуемся законом радиоактивного распада

N = No e-t, (2)

где N - число радиоактивных ядер, содержащихся в изотопе, в момент времени t, No - число радиоактивных ядер в момент времени, принятый за начальный (t=0), - постоянная радиационного распада.

Продифференцируем выражение (2) по времени

dN/dt = -Noe-t. (3)

Исключив из формул (1) и (3) dN/dt, находим активность препарата в момент времени t

А =Noe-t.(4)

Начальную активность Ао препарата получим при t = 0

Ао = No . (5)

Постоянная радиоактивного распада связана с периодом полураспада Т1/2 соотношением

. (6)

Число No радиоактивных ядер, содержащихся в изотопе, равно произведению постоянной Авогадро NA на количество вещества данного изотопа

No = NA = NA . (7)

где m - масса изотопа, - молярная масса.

С учетом вырaжений (6) и (7) формулы (5) и (4) принимают вид:

Ао = NA, (8)

A = NA . (9)

Произведя вычисления и учитывая, что Т1/2 = 600 с; ln2 = 0,693; t = 6 ч = 63,6.103 с = 2,16.104с, получим

Ао=Бк = 5,13 . 1012Бк =

=Ku ,

Бк = 46.10-10 Ku.

3. При археологических раскопках были обнаружены сохранившиеся деревянные предметы, активность 6С14 которых оказалась равной 106 распадов в минуту на 1 г содержаще-гося в них углерода. В живом дереве происходит в среднем 14,5 распадов за минуту на 1 г углерода. Исходя из этих данных, определить время изготовления обнаруженных предметов.

Решение. Известно, изотоп 6С14 является радиоактивным, его период полураспада Т1/2(6С14) = 5700 лет.

Найдем число атомов 6С14 в 1 г.

N = (m/A) NA = (1/14) 6,02·1023 =0,42·1023.

t0 – настоящий момент времени,

t* - момент времени, когда были изготовлены деревянные предметы.

Число распадающихся атомов 6С14 в момент t0 и t* за 1 мин равно ∆N0 = λ·N0·∆t; ∆N* = λ·N·∆t;

Активность пропорциональна числу атомов a0 = λ·N0

Активность радионуклида со временем изменяется по экспоненте a* = a0·exp(-λ·t*). Отсюда ln(a0/a*)=λ·t*=(ln2/Т1/2)·t*.

Численное значение t* равно t* = ln(a0/a*)·Т1/2/ln2 = ln(14,5/10) 5700/0,693 = 3056 лет.

Ответ: деревянные предметы были изготовлены примерно за 3056 лет до настоящего времени.

6. В результате атмосферных испытаний и связанных с ними глобальных выпадений радионуклидов содержание цезия-137 в оленине в северных районах СССР к 1964 г. достигло 1628 Бк/кг. Сколько лет должна храниться такая оленина в холодильниках, чтобы ее удельная активность снизилась до 592 Бк/кг – предельно допустимого загрязне-ния мясных продуктов цезием-137, регламентированного белорусскими нормативами 1990 – 91 г. Целесообразно ли столь длительное хранение оленины?

Решение. Активность изменяется по экспоненте a = a0·exp(-λ·t). Следовательно, (a0/a*) = exp(λ·t*). Отсюда время хранения оленины в холодильнике равно

t* = ln(a0/a*)×T1/2/ln2 = ln(628/592)·30,2/0,693 = 44 года.

Ответ: столь продолжительное время хранения оленины в холодильнике для снижения удельной активности цезия следует считать экономически нецелесообразным.

7. Согласно белорусским нормативам 1990 – 91 г активность цезия-137 в пшенице (зерне) должна быть на уровне 370 Бк/кг. Сколько времени пшеница урожая 1990 г, имеющая предельно допустимую активность, должна храниться в элеваторе, чтобы ее активность снизилась до 0,06 Бк/кг –средней активности по цезию-137, произведенной в 1963 г. в СССР? Целесообразно ли такое хранение?

Решение. Удельная активность зерна, содержа-щего радионуклид цезий-137, изменя-ется по экспоненте a = a0·exp(-λ·t).

В конкретном случае имеем такое

соотношение: a0/aСР = exp(λ·tСР), где tСР–среднее время хранения зерна на элеваторе. Отсюда

tСР = ln(a0/aСР)·T1/2/ln2 = ln(370/0,06) 30,2/ln2 = 380 лет.

Ответ: такое зерно хранить не следует.

11. Радиоактивный распад

Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов -частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных -частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов.

При - радиоактивности заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а масса – на 4 единицы, например:

Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (-) и позитронный(+) распады, а также электронный захват. Первые два типа превращения состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы "захватывает" электрон; отсюда произошел термин "электронный захват". Электронный захват в отличие от ±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

-распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; +-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

При -распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается неизменной, например:

 - излучением называется электромагнитное излучение, возникающее при переходе атомных ядер из возбужденных в менее возбужденные или основное состояния. - излучение обычно сопровождает ядерные реакции. Длины волн - излучения лежат в диапазоне  10-10210-13м, а энергия - квантов лежит в пределах от  10кэВ до 5МэВ.

При - распаде превращения элементов не происходит, но внутренняя энергия ядра уменьшается:

Продукты распада могут быть, в свою очередь радиоактивными.

12. Примеры решения задач

1. Ядро радиоактивного элемента подвергнувшись ряду превращений, потеряло 5 - частиц и 3 -частицы и превратилось в ядро элемента . Определить исходный радиоактивный элемент.

Решение. Потеря - частиц приводит к уменьшению числа Менделеева на единиц, а потеря -частиц приводит к увеличению этого числа на единиц. Таким образом,

откуда

.

На изменение массового числа влияет только потеря - частиц, Каждая из которых имеет массовое число 4:

,

отсюда

.

После подстановки численных значений, получим:

= 83 +2*5-3=90;

=212+5*5=232.

Из таблицы Д.И.Менделеева определяем искомый изотоп:

2. Ядро какого элемента образуется после пяти последовательных α-превращений 92U234?

Решение. Cогласно правилу радиоактивного смещения при α-распаде образуется новый радиоактивный элемент, смещенный в таблице Менделеева на две клетки влево.

1) 92U234 →α→ 90X230 + 2He4, X ≡ Th (торий);

2) 90Th230 →α→ 88Y226 + 2He4, Y ≡ Ra (радий);

3) 88Ra226 →α→ 86Z222 + 2He4, Z ≡ Rn (радон);

4) 86Rn222 →α→ 84Q218 + 2He4, Q ≡ Po (полоний);

5) 84 Po218 →α→ 82D214 + 2He4, D ≡ Pb (Свинец).

Ответ: в результате пяти α-распадов образуется изотоп 82Pb214.

13. 3акон ослабления пучка моноэнергетического γ – излучения или β – частиц

При прохождении радиоактивного излучения через вещество плотность его потока уменьшается. 3акон ослабления пучка моноэнергетического γ – излучения или β – частиц имеет вид

,

где j0 - плотность потока частиц, падающих на поверхность вещества, j - плотность потока на глубине х, μ – линейный коэффициент ослабления.

Интенсивностьγ – излучения I после прохождении слоя вещества толщиной x можно определить по формуле

,

где I0 - интенсивность γ - излучения, падающего на поверхность вещества.

Рисунок 13.1.

На рисунке 13.1 приведена зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии γфотонов для разных веществ.

14. Энергия связи ядра. Дефект массы ядра

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи

или

,

где - массы протона, нейтрона и ядра соответственно; - дефект массы ядра, представляющий собой разность между суммой масс покоя частиц, составляющих ядро, и массой покоя ядра.

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.) или мегаэлектронвольтах (МэВ). 1 а.е.м. равна массы атома углерода – 12 и составляет кг или 931,4812 МэВ (931,5 МэВ).

В таблицах обычно приводятся массы атомов , которые связаны с массами ядер соотношением

,

где - масса электрона.

Поэтому дефект массы ядра выражается следующим образом

.

Здесь - масса атома водорода (протон + электрон); - масса нейтрона; - масса атома (протоны + электроны); с – скорость света; - энергия связи.

Дефект массы на 1 нуклон рассчитывается по формуле

(14.1)

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Удельной энергией связи ядраназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Удельная энергия связи ядра составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобар (А=const).

15. Примеры решения задач

1. Вычислить массу ядра изотопа .

Решение. Воспользуемся формулой

.

Атомная масса кислорода =15,9949 а.е.м.;

а.е.м.;

а.е.м.,

т.е. практически весь вес атома сосредоточен в ядре.

2. Вычислить дефект массы и энергию связи ядра 3Li7.

Решение. Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных (находящихся вне ядра) протонов и нейтронов, из которых ядро образовалось. Дефект массы ядра (m) и есть разность между суммой масс свободных нуклонов (протонов и нейтронов) и массой ядра, т.е.

(1)

где Z – атомный номер (число протонов в ядре); А – массовое число (число нуклонов, составляющих ядро); mp, mn, m – соответственно массы протона, нейтрона и ядра.

В справочных таблицах всегда даются массы нейтральных атомов, но не ядер, поэтому формулу (1) целесообразно преобразовать так, чтобы в неё входила масса М нейтрального атома.

Можно считать, что масса нейтрального атома равна сумме масс ядра и электрона, составляющих электронную оболочку атома:

,

откуда

.

Выразив в равенстве (1) массу ядра по последней формуле, получим

,

или

Замечая, что mp+me=MH, где MH – масса атома водорода, окончательно найдём

(2)

Подставив в выражение (2) числовые значения масс (согласно данным справочных таблиц), получим

Энергией связи ядра называется энергия, которая в той или иной форме выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов.

В соответствии с законом пропорциональности массы и энергии

(3)

где с – скорость света в вакууме.

Коэффициент пропорциональности с2может быть выражен двояко: или

Если вычислить энергию связи, пользуясь внесистемными единицами, то

С учётом этого формула (3) примет вид

                (4)

Подставив ранее найденное значение дефекта массы ядра в формулу (4), получим

3. Две элементарные частицы – протон и антипротон, имеющие массу по кг каждый, соединяясь, превращаются в два гамма – кванта. Сколько при этом освобождается энергии?

Решение. Находим энергию гамма – кванта по формуле Эйнштейна , где с – скорость света в вакууме.

4. Определить энергию, необходимую для разделения ядра 10Ne20 на ядро углерода 6С12 и две альфа-частицы, если известно, что удельные энергии связи в ядрах 10Ne20; 6С12 и 2He4 соответственно равны: 8,03; 7,68 и 7,07 МэВ на нуклон.

Решение. При образовании ядра 10Ne20 из свободных нуклонов выделилась бы энергия:

WNe = Wcу ·А = 8,03 20 = 160,6 МэВ.

Соответственно для ядра 612С и двух ядер 24He:

Wс = 7,68 ·12 = 92,16 МэВ,

WНе = 7,07· 8 = 56,56 МэВ.

Тогда при образовании 1020Neиз двух ядер 24He и ядра 612С выделилась бы энергия:

W = WNe – Wc – WHe

W= 160,6 – 92,16 – 56,56 = 11,88 МэВ.

Такую же энергию необходимо затратить на процесс разделения ядра 1020Ne на 612С и 224H.

Ответ.E = 11,88 МэВ.

5. Найти энергию связи ядра атома алюминия 13Al27, найти удельную энергию связи.

Решение. Ядро 13Al27состоит из Z=13 протонов и

A-Z = 27 - 13 нейтронов.

Масса ядра равна

mя= mат - Z·mе = 27/6,02·1026-13·9,1·10-31= 4,484·10-26 кг=

= 27,012 а.е.м.

Дефект массы ядра равен ∆m = Z·mp+(A-Z)·mn - mя

Численное значение

∆m = 13·1,00759 + 14×1,00899 - 26,99010 = 0,23443 а.е.м.

Энергия связи Wсв = 931,5·∆m = 931,5·0,23443 = 218,37 МэВ

Удельная энергия связи Wуд = 218,37/27 = 8,08МэВ/нуклон.

Ответ: энергия связи Wсв = 218,37 МэВ; удельная энергия связи Wуд = 8,08 МэВ/нуклон.

16. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют процессы превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с элементарными частицами.

При записи ядерной реакции слева пишется сумма исходных частиц, затем ставится стрелка, а за ней сумма конечных продуктов. Например,

Эту же реакцию можно записать в более короткой символической форме

При рассмотрении ядерных реакций используются точные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и другие. Если в качестве элементарных частиц в ядерной реакции фигурируют только нейтроны, протоны и γ – кванты, то в процессе реакции сохраняется и число нуклонов. Тогда должны соблюдаться баланс нейтронов и баланс протонов в начальном и конечном состояниях. Для реакции получим:

- число протонов 3 + 1 = 0 + 4;

- число нейтронов 4 + 0 = 1 + 3.

Пользуясь этим правилом можно идентифицировать одного из участников реакции, зная остальных. Достаточно частыми участниками ядерных реакций являются α – частицы ( - ядра гелия), дейтроны ( - ядра тяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона по одному нейтрону) и тритоны ( - ядра сверхтяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона два нейтрона).

Разность энергий покоя начальных и конечных частиц определяет энергию реакции. Она может быть как больше нуля, так и меньше нуля. В более полной форме рассмотренная выше реакция записывается так:

где Q – энергия реакции. Для ее расчета с помощью таблиц свойств ядер сравнивают разность суммарной массы исходных участников реакции и суммарной массы продуктов реакции. Затем полученная разность масс (обычно выраженную в а.е.м.) пересчитывается в энергетические единицы (1 а.е.м. соответствует 931,5 МэВ).

17. Примеры решения задач

1. Определить неизвестный элемент, образующийся при бомбардировке ядер изотопов алюминия Аl -частицами, если известно, что один из продуктов реакции нейтрон.

Решение. Запишем ядерную реакцию:

Al + X + n.

По закону сохранения массовых чисел: 27+4 = А+1. Отсюда массовое число неизвестного элемента А = 30. Аналогично по закону сохранения зарядов 13+2 = Z+0 и Z = 15.

Из таблицы Менделеева находим, что это изотоп фосфораР.

2. Какая ядерная реакция записана уравнением

?

Решение. Числа, стоящие около символа химического элемента означают: внизу – номер данного химического элемента в таблице Д.И.Менделеева (или заряд данной частицы), а вверху – массовое число, т.е. количество нуклонов в ядре (протонов и нейтронов вместе). По таблице Менделеева замечаем, что на пятом месте находится элемент бор В, на втором – гелий Не, на седьмом =- азот N. Частица - нейтрон. Значит, реакцию можно прочитать так: ядро атома бора с массовым числом 11 (бор-11) после захвата- частицы (одно ядро атома гелия) выбрасывает нейтрон и превращается в ядро атома азота с массовым числом 14 (азот-14).

3. При облучении ядер алюминия – 27 жесткими – квантами образуются ядра магния – 26. Какая частица выделяется в этой реакции? Написать уравнение ядерной реакции.

Решение. По периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева:

По закону сохранения заряда: 13+0=12+Z;

По закону сохранения массового числа:

4. При облучении ядер некоторого химического элемента протонами образуются ядра натрия – 22 и - частицы (по одной на каждый акт превращения). Какие ядра облучались? Написать уравнение ядерной реакции.

Решение. По периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева:

По закону сохранения заряда:

По закону сохранения массового числа:

5. При бомбардировке изотопа азота 7N14 нейтронами получается изотоп углерода 6C14, который оказывается β-радиоактивным. Написать уравнения обеих реакций.

Решение.7N14+0n16C14+1H1; 6C14-1e0+7N14.

6. Стабильным продуктом распада 40Zr97 является 42Mo97. В результате каких радиоактивных превращений 40Zr97 он образуется?

Решение. Запишем две реакции β-распада, происходящие последовательно:

1) 40Zr97 →β→ 41X 97 +-1e0, X ≡ 41Nb97 (ниобий),

2) 41 Nb97 →β→ 42Y97 +-1e0, Y ≡ 42Mo97 (молибден).

Ответ: в результате двух β-распадов из атома циркония образуется атом молибдена.

18. Энергия ядерной реакции

Энергия ядерной реакции (или тепловой эффект реакции)

МэВ, (18.1)

где - сумма масс частиц до реакции, - сумма масс частиц после реакции.

Если , реакция называется экзоэнергетической, так как идет с выделением энергии. При Q< 0 реакция называется эндоэнергетической и для ее возбуждения необходимо затратить энергию (например, ускорить частицы, т.е. сообщить им достаточную кинетическую энергию).

Деление ядра нейтронами – экзоэнергетическая реакция, при которой ядро, захватывая нейтрон, расщепляется на два (изредка – на три) большей частью неравных радиоактивных осколка, испуская вместе с этим гамма – кванты и 2 – 3 нейтрона. Эти нейтроны, при наличии вокруг достаточного количества делящегося вещества, могут, в свою очередь, вызывать деление окружающих ядер. В этом случае возникает цепная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Энергия выделяется за счет того, что делящееся ядро обладает или очень малым дефектом массы, или даже избытком массы вместо дефекта, что и является причиной неустойчивости таких ядер по отношению к делению.

Ядра – продукт деления – обладают значительно большими дефектами массы, вследствие чего в рассматриваемом процессе происходит выделение энергии.

19. Примеры решения задач

1. Какая энергия соответствует 1 а.е.м.?

Решение. Так как m= 1 а.е.м.= 1,66 ·10-27 кг, то

Q = 1,66 ·10-27(3·108)2=14,94·10-11 Дж ≈ 931 (МэВ).

2. Написать уравнение термоядерной реакции и определить ее энергетический выход, если известно, что при слиянии двух ядер дейтерия образуется нейтрон и неизвестное ядро.

Решение.

по закону сохранения электрического заряда:

1 + 1=0+Z; Z=2

по закону сохранения массового числа:

2+2=1+A; A=3

энергия выделяется,

=- 0,00352 а.е.м.

Q =

3. При делении ядра урана – 235 в результате захвата медленного нейтрона образуются осколки: ксенон – 139 и стронций – 94. Одновременно выделяются три нейтрона. Найти энергию, освобождающуюся при одном акте деления.

Решение. Очевидно, что при делении сумма атомных масс результирующих частиц меньше суммы масс исходных частиц на величину

.

Предполагая, что вся освобождающаяся при делении энергия переходит в кинетическую энергию осколков, получаем после подстановки числовых значений:

МэВ.

4. Какое количество энергии выделяется в результате термоядерной реакции синтеза 1 г гелия из дейтерия и трития?

Решение. Термоядерная реакция синтеза ядер гелия из дейтерия и трития протекает по следующему уравнению:

.

Определим дефект массы

m=(2,0474+3,01700)-(4,00387+1,0089)=0,01887(а.е.м.)

1 а.е.м. соответствует энергия 931 МэВ, следовательно, энергия, выделившаяся при синтезе атома гелия,

Q=931.0,01887(МэВ)

В 1 г гелия содержится /А атомов, где – число Авогадро; А – атомный вес.

Полная энергия Q= (/А)Q; Q=424109 Дж.

5. При соударении -частицы с ядром бора 5В10 произошла ядерная реакция, в результате которой образовалось ядро атома водорода и неизвестное ядро. Определить это ядро и найти энергетический эффект ядерной реакции.

Решение. Запишем уравнение реакции:

5В10 + 2Не41Н1 + zХА

Из закона сохранения числа нуклонов следует, что:

10 + 4 + 1 + А; А = 13

Из закона сохранения заряда следует, что:

5 + 2 = 1 +Z; Z = 6

По таблице Менделеева находим, что неизвестное ядро есть ядро изотопа углерода 6С13.

Энергетический эффект реакции рассчитаем по формуле (18.1). В данном случае:

Q = .

Массы изотопов подставим из таблицы (3.1):

Q = МэВ.

Ответ:zХА = 6С13; Q = 4,06 МэВ.

6. Какое количество теплоты выделилось при распаде 0,01 моля - радиоактивного изотопа за время, равное половине периода полураспада? При- распаде ядра выделяется энергия 5,5 МэВ.

Решение. Согласно закону радиоактивного распада:

= .

Тогда, число распавшихся ядер равно:

.

Так как ν0, то:

.

Поскольку при одном распаде выделяется энергия равная Е0 = 5,5 МэВ = 8,8·10-13 Дж, то:

Q = Eo Np = NAoEo(1 - ),

Q = 6,0210230,018,810-13(1 - ) = 1,55109 Дж

Ответ: Q = 1,55 ГДж.

20. Реакция деления тяжелых ядер

Тяжелые ядра при взаимодействии с нейтронами могут разделяться на две приблизительно равные части – осколки деления. Такая реакция называется реакцией деления тяжелых ядер, например

.

В этой реакции наблюдается размножение нейтронов. Важнейшей величиной является коэффициент размножения нейтронов k. Он равен отношению общего числа нейтронов в каком-либо поколении к породившему их общему числу нейтронов в предыдущем поколении. Таким образом, если в первом поколении было N1 нейтронов, то их число в n-м поколении будет

Nn=N1kn.

При k=1 реакция деления стационарна, т.е. число нейтронов во всех поколениях одинаково – размножения нейтронов нет. Соответствующее состояние реактора называется критическим.

При k>1 возможно образование цепной неуправляемой лавинообразной реакции, что и происходит в атомных бомбах. В атомных станциях поддерживается управляемая реакция, в которой за счет графитовых поглотителей число нейтронов поддерживается на некотором постоянном уровне.

Возможны ядерные реакции синтеза или термоядерные реакции, когда из двух легких ядер образуется одно более тяжелое ядро. Например, синтез ядер изотопов водорода – дейтерия и трития и образование ядра гелия:

При этом выделяется 17,6 МэВ энергии, что примерно в четыре раза больше из расчета на один нуклон, чем в ядерной реакции деления. Реакция синтеза протекает при взрывах водородных бомб. Более 40 лет ученые работают над осуществлением управляемой термоядерной реакции, которая открыла бы доступ человечеству к неисчерпаемой “кладовой” ядерной энергии.

21. Биологическое действие радиоактивных излучении

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка - это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия излучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли -лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

22. Доза излучения

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения.

Экспозиционная доза Х ионизирующего излучения - суммарный заряд, образовавшийся за счет излучения в 1 см3 воздуха за некоторое время t.

Измеряется в кулонах на килограм (Кл/кг), внесистемная единица - рентген(Р).

При дозе в 1 Р в 1 см3 при нормальных условиях образуется 2,08.109 пар ионов, что соответствует 2,58.10-4Кл/кг. При этом в 1 см3 воздуха за счет ионизации поглощается энергия, равная 1,1.10-8Дж, т.е. 8,5 мДж/кг.

Поглощенная доза излучения Дп. - физическая величина, равная отношению поглощенной энергии Wп к массе Mп облучаемого вещества. Величины поглощенной дозы определяются с помощью выражения

Дп = Wп / Mп.

В системе СИ единицей поглощенной дозы является Грей. Эта единица названа в честь английского физика А. Грея. Такую дозу получает тело массой 1 кг, если оно поглотило энергию в 1 Дж.

До 1980 г. в качестве единицы поглощенной дозы применялись: рад и рентген. Это внесистемные единицы.

Рад – от англ. поглощенная доза излучения.

1 рад = 10-2Дж/кг = 10-2Гр.

1 Грей (Гр)= 100 рад  110 Р (для гамма-излучения).

Единица «Рентген» довольно часто используется и сейчас; возможно, это просто дань традиции. По определению доза в 1 Р соответствует такому излучению, при котором в 1 см3 воздуха при н.у. (Р0=760 мм. рт. ст, Т = 273 К) обра-зуется определенное число пар ионов (N  2,1·109), так что их суммарный заряд равен 3,3·10-10Кл. Понятен смысл данного определения: зная ток и время разрядки, можно опытным путем определить суммарный заряд ионизации и число пар ионов, возникших в результате облучения

Nион= Qобщ/е.

Для этих же условий (н.у.) найдем величину поглощенной дозы:

Дп = Wп/Mп = 112,5·10-10/0,128·10-5 = 8,7·10-3Дж/кг.

Таким образом, доза в 1 рентген соответствует поглощенной дозе 8,7·10-3 Дж/кг или 8,7·10 мГр.

1 Р = 8,7·10–3 Дж/кг = 8,7 мГр.

Доза в 1 Р создается лучами, испускаемыми 1 граммом радия, на расстоянии 1 м от источника в течение 1 часа.

Мощность поглощенной дозы ДIП.- физическая величина, характеризующая величину энергии, поглощаемой единицей массы какого-либо физического тела в единицу времени:

D1п = ДП / t = WП / MПпt.

Величину фонового излучения нам обычно сообщают в микрорентген/час, например 15 мкР/час. Эта величина имеет размерность мощности поглощенной дозы, но выражена она не в единицах системы СИ.

Эквивалентная доза Hэкв.- величина, которая харак-теризует поглощенную дозу живого организма. Она равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма:

Hэкв. = КК DП,

где КК – средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани (табл. 22.1).

Таблица 22.1.э.

Вид излучения

КК

Рентгеновское и γ-излучение

1

Электроны, позитроны, β-излучение

1

Протоны (W  10 МэВ)

10

Нейтроны (W  20 кэВ)

3

Нейтроны (W = 0,1 – 10 МэВ)

10

Альфа –излучение (W 10 МэВ)

20

Надо отметить, что эквивалентная доза Hэкв харак-теризует среднее значение поглощенной дозы живым орга-низмом, хотя одни и те же ткани (кости, мышцы, мозг и др.) для разных людей и при разных условиях будут поглощать разную энергию.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы является Зиверт (1 Зв), названной так в честь шведского ученого – радиолога Р.Зиверта. На практике часто используется внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена).

1 бэр = 0,01 Дж/кг.

На практике используются дольные единицы: миллибэр (1мбэр = 10-3бэр); микробэр (1мкбэр = 10-6бэр); нанобэр (1нбэр = 10-9бэр).

Существует другое определение понятия бэр.

Бэр - это количество энергии, поглощенное живым орга-низмом при облучении любым видом ионизирующей радиации и вызывающее такой же биологический эффект, как и погло-щенная доза в 1 рад рентгеновского или -излучения с энергией 200 кэВ.

Соотношение между названными единицами (1 Зв, 1 бэр, 1 Р) такое:

1 Зв = 100 бэр 110 Р (для гамма-излучения).

По мере удаления от точечного источника доза убывает обратно пропорционально квадрату расстояния ( 1 / r2).

Поглощенная доза

Dп = D1эт·tобл/r2. D1эт = 1Р·2/час ,

где D1эт - мощность точечного источника; tобл - время облучения, ч; r - расстояние от источника, м.

Активность точечного излучателя и мощность дозы связаны соотношением:

Р = К ,

где К - ионизационная постоянная, r - расстояние от источника излучения, d - толщина защитного экрана, - коэффициент поглощения излучения в материале экрана.

Ионизационная постоянная К и коэффициент поглощения экрана сложным образом зависят от вида и энергии излучения. Для гамма-квантов с энергией около 1 МэВ отношение коэффициента поглощения к плотности материала для многих материалов (вода, аллюминий, железо, медь, свинец, бетон, кирпич) близко к величине 7.10-3м2/кг.

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от -лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем -лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

Фону в 15 мкР/час соответствует мощность дозы 36,2·10–12Гр/с (или 4,16·10-9Р/с). При такой мощности дозы человек за один год, при условии, что ионизация тканей происходит также как ионизация воздуха, получит дозу радиации, равную 1,1 мГр (или 0,13 Р). Такая доза радиации очень мала и неопасна для человека. Но надо еще иметь в виду, что радиация может накапливаться строительными материалами, которые используются при постройке жилых и промышленных зданий. Влияние излучения от конструкционных материалов может быть более существенным, чем от фона наружного воздуха.

Зная общую эквивалентную дозу, можно найти эквива-лентную поглощенную дозу отдельных органов (Hорг,i = Крр×Дэкв) и оценить вероятность их лучевого поражения. В то же время при использовании лучевой терапии в медицине очень важно знать и установить значения мощности источника излучения и время экспозиции таким образом, чтобы эквивалентная поглощенная доза для данного органа (например, для легких) не выходила за пределы допустимой дозы.

23. Примеры решения задач

1.Экспозиционная доза гамма-излучения на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва в атмосфере (на высоте 2,4 км) водородной бомбы с тротиловым эквивалентом в 20 мегатонн (8,4.1016Дж) равна 400 Р. Каково безопасное расстояние от эпицентра (по гамма-излучению), если считать предельно допустимой однократную экспозиционную дозу в 0,5 Р (т.е. в десять раз большую, чем предельно допустимая доза 0,05 Р за 6-часовой рабочий день для персонала). Поглощением и рассеянием гамма-излучения в атмосфере пренебречь.

Решение. Активность точечного излучателя и мощность дозы связаны соотношением

P = К., (23.1)

где Р - мощность дозы; К- ионизационная постоянная данного вида излучения, А - активность излучателя, r - расстояние от излучателя до наблюдателя, d - толщина экрана, - коэффициент поглощения в материале экрана.

Если пренебречь поглощением гамма-излучения в атмосфере, то экспозиционная доза Х на некотором расстоянии r от эпицентра приблизительно равна

, (23.2)

где - время воздействия излучения.

Обозначив через Хо экспозиционную дозу на расстоянии ro, а предельно допустимую дозу на расстоянии r через Хдоп, получим из формулы (2)

Хо= , (23.3)

Xдоп = . (23.4)

Взяв отношение левых и правых частей выражений (23.3) и (23.4), находим

.

Получаем для расстояния r выражение

.

Учитывая, что по условию ro= 3 км, Хо= 400 Р, Хдоп= 0,5 Р, получим

км .

Отметим, что экспозиционная доза в 0,5 Р соответствует поглощенной дозе в 0,5 рад, т.е. 5.10-3Гр и при коэффициенте качества Q = 1 (для - излучения) соответствует эквивалентной дозе 5.10-3Зв = 5 мЗв.

24. Элементарные частицы и современная физическая картина мира

При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Таковыми вплоть до начала 20 века считались атомы (слово “атом” в переводе с греческого означает “неделимый”). После того как была установлена сложная структура атомов, они перестали считаться элементарными частицами в указанном смысле слова. Такая же судьба постигла ядро, а затем протон и нейтрон, у которых была установлена внутренняя структура. Открывались новые и новые объекты (мюоны, пионы, нейтрино и др.), которые могли претендовать на роль элементарных частиц. Для большинства из них эти претензии были отклонены очень быстро. Но и в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными и есть ли всеобще элементарные частицы в первоначальном смысле этого слова.

Элементарными частицами сейчас условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протонов – ядер атома водорода). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра.

25. Классификация элементарных частиц

Все частицы (в том числе и неэлементарные и квазичастицы) разделяются на бозоны и фермионы.

Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин=2), фотон (спин=1), промежуточные векторные бозоны (спин=1), глюоны (спин=1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленные частиц.

Частицы или квазичастицы с полуцелым спином называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся: лептоны, все барионы и барионные резонансы, а также соответствующие античастицы. Для всех их спин равен ½.

По времени жизни различают абсолютно стабильные, квазистабильные и резонансные частицы. Последние для краткости называют просто резонансами. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, с временем жизни 10-23с. Квазистабильные частицы (иногда их называют стабильные), время жизни которых превышает 10-20с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. Время 10-20с, ничтожное в обыденных масштабах, считается большим, если его сравнивать с ядерным временем – временем, которое требуется свету на прохождение диаметра ядра (10-15м), 10-23с. Абсолютно стабильными частицами являются, по-видимому, только фотон , электрон е, протон р (в последнее время возникли сомнения в стабильности протона), электронное нейтрино е, мюонное и таонное нейтрино и их античастицы – распад их на опыте не зарегистрирован.

Классификация частиц приводится в учебниках и с нею любознательный студент может ознакомиться самостоятельно.

26. Лептоны. Адроны. Кварки

Все лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и имеют спин . Известно три заряженных лептона: электрон (е-), мюон (μ-) и таон (τ-). Каждому из них соответствует нейтральная частица: электронное нейтрино (νе), мюонное нейтрино (νμ), таонное нейтрино (ντ). Кроме того, у каждого лептона имеется антилептон. Всем лептонам приписывается свой лептонный заряд: электрону и электронному нейтрино Le= 1, мюону и его нейтрино Lμ= 1, таону и его нейтрино Lτ= 1. Для соответствующих античастиц лептонные заряды имеют противоположный знак. Считается, что во всех без исключения взаимодействиях соблюдаются законы сохранения лептонных зарядов.

Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействии. Принято подразделять адроны на две подгруппы: мезоны и барионы. Мезонами называются адроны с целыми спинами (т.е. бозоны). У барионов спин полуцелый. Кроме того барионам приписывается барионный заряд В = 1, антибарионам – В = -1. У всех остальных частиц В = 0. Для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов выполняется закон сохранения барионного заряда.

Все адроны разбиваются на небольшие семейства – изомультиплеты, членам которых приписывается одинаковое значение изоспинаТ. Члены изомультиплета различаются значением проекции изоспинаТz, изменяющейся в пределах мультиплета от -Т до +Т. При сильных взаимодействиях выполняется закон сохранения изоспина и закон сохранения проекции изоспина.

В 50-х годах прошлого века были открыты так называемые странные адроны. В связи с их странным по тем временам поведением для адронов ввели еще одно квантовое число – странностьS. Закон сохранения странности выполняется только при сильных взаимодействиях.

Смысл введённых квантовых чисел в том, что они сохраняются в определённых классах взаимопревращений частиц. Во всех фундаментальных взаимодействиях частиц сохраняются энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд (q), лептонные заряды (Le, Lμ, Lτ) и барионный заряд (В). В процессах взаимопревращений частиц, вызванных сильным взаимодействием, сохраняются также изоспин (Т) и его проекция (Тz), странность (S), очарование (С) и другие квантовые числа.

В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него Цвейг выдвинули гипотезу, подтвержденную дальнейшими исследованиями, что все элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (их относят к классу адронов) построены из трех более фундаментальных частиц, которые по предположению Гелл-Манна были названы кварками (Цвейг их назвал тузами) - (Q) – дробнозаряженных фундаментальных частиц.. Три сорта кварков были обозначены буквами u (от англ. up – вверх), d(от англ.down – вниз), s(от англ. strange – странный). Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд, равный е/3, т.е. меньше заряда е, который раньше считался элементарным(минимальным). Позднее были установлены еще три кварка: очарованный с, красивый или прелестный b и истинный t кварк. Этим 6 кваркам соответствует 6 антикварков.

Кварковая гипотеза позволила систематизировать известные частицы, объяснить их свойства и предсказать ряд новых частиц.

Каждый мезон М строится из одного кварка и одного антикварка , каждый барион В – из трёх кварков:

М=, В=.

В состав обычных адронов входят только кварки u и d, странные адроны включают еще один или несколько кварков s.

28. Античастицы

В микромире каждой частице соответствует античастица. Например, первая античастица – позитрон (антиэлектрон) была обнаружена в 1935 г., его заряд равен +е. В вакууме позитрон столь же стабилен, что и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, т.е. превращаются в два, три или несколько -квантов(но не в один, т.к. в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса). Существует обратный процесс: -квант может породить пару электрон-позитрон, но только в присутствии третьего тела, например атомного ядра.

В 1955 г. были открыты антипротоны. Антипротоны отличается от протона р знаком электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и нейтроном.

В 1956 г. были обнаружены антинейтроны. Антинейтрон отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момента. Он аннигилирует при встрече с нуклоном(нейтроном и протоном). Можно было бы и дальше перечислять античастицы.

Заметим, что существуют частицы, тождественные со своими античастицами, т.е. они не имеют античастиц. Такие частицы называют абсолютно нейтральными, например фотон, 0-мезон и -мезон.

29. Цепная реакция

Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происходит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные особенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана .

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики поняли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные деления и таким образом процесс лавинообразно нарастает.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходится решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

1. Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природном уране лишь 0,7%, остальное - изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе создания атомной бомбы и реакторов;

2. Оказалось, что ядра урана делятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые нейтроны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

3. Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из массы урана, не успев вызвать дальнейшее деление. Поэтому для того, чтобы цепная реакция проходила, масса 1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сблизить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает интенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное облако, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, используемых на атомных электростанциях (АЭС).

30. Условия термоядерной реакции

Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия D () при слиянии образуют ядро гелия . Расчёты показывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода - дейтерия и трития: . Для того, чтобы произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагреть вещество до температуры 107 К. В водородной бомбе, в которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн. град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию: энергия выделяется в огромном количестве в одно мгновение и ее можно использовать только для разрушения. Однако человечеству необходима управляемая термоядерная реакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь) ограничены.

Условие, необходимое для протекания термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывается как

для реакции

для реакции ,

где n - концентрация частиц, т.е. число частиц в одном см3,- время их удержания вместе в секундах.

Эти соотношения отражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомянутой высокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов градусов) в течение определённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и трития более выгодна, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.

Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникает особое состояние вещества - плазма. Высокотемпературная плазма представляет собой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны существуют независимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень велика, благодаря чему плазма является хорошим проводником.

Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реакции нужно создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией, стремятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предположили два пути решения этой задачи. Первый путь заключается в удержании плазмы с помощью магнитного поля. Если на газоразрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный шнур. Заряженные частицы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать спиральные траектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образования шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установках, получивших название токамак. В этих установках удалось разогреть плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока не удаётся удержать плазму длительное время, но исследования в этом направлении продолжаются. Второе направление - это создание управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму магнитного поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.

31. Атомные электростанции

Если в атомной бомбе происходит неуправляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются условия, когда на каждый процесс деления ядра урана-235 или плутония приходится в среднем только один нейтрон, вызывающий новый акт деления, другие же образовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомными ядрами других веществ. Таким образом, скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электростанции является ядерный реактор.

Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 31.1.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Рисунок 31.1.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен . Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

32. Методы регистрации заряженных частиц

В настоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет сложную структуру и состоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явления радиоактивности следует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов, нейтронов и даже электронов может быть сложной. Встаёт вопрос о том, существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарными частицами), из которых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их занимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объекты, которые недоступны никакому микроскопу? для этого разработан целый ряд хитроумных, весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть их взаимные превращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используемые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким – либо ядром.

Основной частью приборов для регистрации ядерных излучений является элемент, воспринимающий излучения, - детектор излучения. Для этой цели используются счетчики разных типов, позволяющие зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременного электрического тока – импульса. Наиболее широкое применение имеют газоразрядные счетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения. Постепенно их начинают вытеснять сцинтилляционные счетчики, действие которых основано на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах под ударами частиц.

Чтобы не только обнаружить ядерное излучение, но и измерить его интенсивность, недостаточно одного детектора излучения. Необходимы еще электронные устройства, подсчитывающие число электрических импульсов, то есть число попавших в счетчик частиц, и устройства, показывающие результат подсчета.

33. Классификация счетчиков

Систематизировать большое количество разнообразных типов счетчиков можно по различным признакам. По механизму действия различают счетчики с несамостоятельным и самостоятельным разрядом. К первым относятся пропорциональные счетчики, ко вторым - счетчики Гейгера (острийные) и Гейгера-Мюллера (нитиевые). Счетчики с самостоятельным разрядом бывают, в свою очередь, самогасящимися и несамогасящимися.

Практически наиболее важно систематизировать счетчики по их назначению и по конструктивным признакам, причем особенности конструкции часто обуславливаются назначением счетчика. Следует различать счетчики -, -частиц, -квантов, рентгеновских лучей, нейтронов и счетчики специального назначения. Назначение счетчика предъявляет определенные требования к выбору режима работы счетчика и материалов, из которых он изготавливается. Если, например, нужно определить энергию частицы, а не только регистрировать ее наличие, то применяют пропорциональные счетчики. Для счета -квантов счетчики делают с катодом из тяжелых элементов, а для счета -частиц, наоборот, предпочитают изготовлять катоды из легких металлов, чтобы уменьшить фотоэффект.

Параметры газоразрядных счетчиков определяются не только конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом и давлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: для получения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства.

Основными характеристиками счетчика являются: максимальная скорость счета или разрешающая способность, эффективность, счетная характеристика.

34. Разрешающая способность. Мертвое время. Эффективность счетчика.

Максимальная скорость счета, т.е. наибольшее число импульсов, которые могут возникнуть в счетчике за 1 сек, очевидно, зависит от длительности так называемого “мертвого времени”, в течение которого счетчик не способен ответить импульсом на влетевшую в него частицу.

Обозначая разрешающую способность счетчика через Nмакс [имп\сек], можем её связь с мертвым временем выразить формулой:

Nмакс=1/tм

Для определения полного числа частиц, попавших в счетчик, нужно внести поправки на просчет, т.е. на те незарегистрированные частицы, которые попали внутрь счетчика в течение мертвого времени: N=Nизм/1-Nизмtм

Эффективенсть счетчика характеризует способность счетчика реагировать на то или иное излучение. Численно она равна отношению числа частиц, вызвавших импульсы, к общему числу частиц, попавших в счетчик за еденицу времени. Обычно эффективность обозначают в процентах.

Знание счетной характеристики позволяет поставить счетчик в нормальный режим работы. Обычно счетная характеристика представляет собой график зависимости числа импульсов в еденицу времени от напряжения на электродах.

Рисунок 34.1.

На рисунке 34.1 изображена типичная счетная характеристика, видно, что при напряжениях, меньших начала счета Uн.с. , счетчик не считает. Затем с увеличением напряжения до Uн.п. (начало плато) число число регистрируемых в минуту импульсов резко возрастает при увеличении напряжения, а затем остается примерно постоянным до значения напряжения Uк.п. (конец плато). Этот горизонтальный участок Uн.п.-Uк.п. получил название плато и является рабочим участком характеристики.

35. Кристаллические счетчики

По принципу действия наиболее близки к газоразрядным кристаллические счетчики проводящего типа. Если пространство между электродами газоразрядного прибора заполнить не газом, а кристаллическим диэлектриком или полупроводником, то при прохождении ионизирующей частицы через него появляется импульс тока.

Выделяют два типа кристаллических счетчиков, имеющих различный механизм действия: счетчики, работающие как фотосопротивления, и счетчики, работающие как фотодиоды. Можно считать, что действие ионизирующей частицы на первый тип подобно действию квантов света на фотосопротивление – при освещении ток через него увеличивается. Второй тип счетчиков представляет собой плоскостной диод из высокоомного монокристалла германия.

Пусть со стороны n-германия попадает α-частица. В небольшом слое Δ толщиной 10-20 мк она затормозится, полностью отдав свою энергию на образование пар электрон-дырка. Дырки через запорный слой легко проходят, и возникает ток в замкнутой цепи кристалл - сопротивление R - батарея.α Так как при прохождении тока через фотодиод на внешнем сопротивлении нагрузки падает почти все напряжение источника тока, удается получить достаточно большие импульсы. Следует также отметить, что такие счетчики имеют «темновой ток», т.е. ток в отсутствии облучения, его величина достигает нескольких микроампер.

Отметим достоинства и недостатки кристаллических счетчиков.

Основными преимуществами являются:

  1. Возможность регистрации сильнопроникающего жесткого излучения счетчиками малых размеров благодаря большой тормозной способности;

  2. Высокие скорости счета (до 100000имп/сек) благодаря крутому фронту импульса;

  3. Пропорциональность между высотой импульса и энергией частицы, что позволяет различать частицы по энергиям , как в пропорциональных счетчиках;

  4. Возможность детектировать частицы и гамма-лучи с большей эффективностью, чем при использовании газоразрядных счетчиков.

Основным недостатком кристаллических счетчиков является накопление пространственного заряда, создаваемого захваченными в ловушки электронами и дырками, что приводит с течением времени к уменьшению высоты импульса и скорости счета.

36. Сцинтилляционные методы.

Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом, представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа.

Возникновение кратковременных вспышек света (сцинтилляций) известно давно. Существует ряд веществ (бензол, нафталин, сернистый цинк с серебром и т.д.), которые дают световую вспышку (сцинтилляцию) при прохождении через них ионизирующего излучения. Эту вспышку можно зарегистрировать как просто глазом, так и соответствующим прибором, преобразующим световой сигнал в электрический. Начиная с 1944 г. световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также светодиоды. Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы. В качестве органических сцинтилляторов часто используются антрацен (C14H10), стильбен (C14H12), нафталин (C10H8). Жидкие сцинтилляторы обычно известны под фирменными именами (например NE213). Пластиковые и жидкие сцинтилляторы представляют из себя растворы органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворителе. Например, твердый раствор антрацена в полистироле или жидкий раствор р-терфенила в ксилоле. Концентрация флуоресцирующего вещества обычно мала и регистрируемая частица возбуждает в основном   молекулы растворителя. В дальнейшем энергия возбуждения передается молекулам флуоресцирующего вещества.  В качестве неорганических кристаллических сцинилляторов используются ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12 (BGO) и др. В качестве газовых и жидких сцинтилляторов используют  инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.

Счетчик имеет два основных элемента: сцинтиллятор и фотоумножитель, преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы, которые усиливаются внутри этого же фотоумножителя в миллионы раз и более (рис.36.1.)

Рисунок 36.1.

Действие сцинтилляционного счетчика происходит следующим образом. Частица попадает в сцинтиллятор и взаимодействуют с атомами плотной среды сцинтиллятора. При этом некоторое количество атомов вещества, составляющего сцинтиллятор, переходит в возбужденное состояние. Обратный переход атомов в нормальное состояние сопровождается импусканием света – люминисценцией. Различают два вида люминисценции – флуорисценцию и фосфоресценцию. В первом случае высвечивание атома происходит почти мгновенно, во втором – возбужденные молекулы находятся в метастабильном состоянии неопределенное время.

Достоинства сцинтилляционных счетчиков:

  1. Высокая чувствительность ко всем видам ядерных излучений

  2. Большая разрешающая способность

  3. Способность различать частицы по энергиям и измерять ее.

Таким образом, сцинтилляционный счетчик, соединяя в себе достоинства пропорционального счетчика и счетчика Гейгера-Мюллера, обладает при этом превосходящей их эффективностью и разрешающей способностью.

37. Счётчик Гейгера.

Это устройство представляет собой стеклянную трубку, наполненную газом, в которую введены два электрода. Одни является цилиндрической поверхностью, другой тонкой проволокой, проходящей с одного торца к другому, по оси цилиндра.

К электродам подводится напряжение. При пролёте через такую трубку заряженной Частицы, молекулы газа ионизируются, образовавшиеся ионы разгоняются электрическим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы, в результате чего образуется лавина ионов. В этот момент по электрической цепи, в которую включена трубка, проходит ток в виде импульса. Процесс повторяется при каждом пролёте частицы, и электронный прибор регистрирует и считает число пролетевших частиц. Счётчик Гейгера играет большую роль при изучении радиоактивности, радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.

Рисунок 37.1. Схема стеклянного счётчика Гейгера - Мюллера:

1 - герметически запаянная стеклянная трубка;

2 - катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали);

3 - вывод катода; 4 - анод (тонкая натянутая нить).

38. Камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 38.1) была изобретена шотландским физиком Ч.Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Рисунок 38.1.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.

39. Пузырьковая камера

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения (рис.39.1.). Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Рисунок 39.1.

Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

40. Примеры решения задач

1. Активность контрольного источника 27Co60 в сцинтилляционном геологоразведочном приборе СРП – 88Н, определенная при его аттестации на заводе-изготовителе, равна 1 мкKu. Определить массу кобальта в контрольном источнике: 1) при проведении заводской аттестации, 2) через год после заводской аттестации. На сколько снизится активность этого источника: 3) через 1 год после аттестации, 4) через 5 лет?

Решение. Для 27Co60 известен период полураспада Т1/2 = 5,3 года.

Постоянная распада

λ = ln2 / Т1/2 = 0,693 / (5,3·3,14·107== 0,415·10-8 c-1.

Начальная активность

a0=1 мкKu=1·10-6·3,7·1010 = 3,7·104 Бк.

Активность и число атомов вещества свя-заны соотношением: a = λ·N = λ·M·NA/ A. Отсюда найдем массу Co.

m(Co)=(a0·M)/(λ·NA) = (3,7·104·60)/(0,415·10-8·6,02·1026)=

= 88,8·10-14 кг = =88,8 ·10-2 нг

(масса Co в контрольном источнике).

Активность радионуклида изменяется по экспонен-циальному закону: а = а0·еxp(-λ·t). Постоянная λ = ln2/Т1/2 = 0,130 год-1 = 0,415·10-8 c-1.

Активность препарата Со60 через 1 год после начала эксплуатации равна: а(1) = 3,7·104·еxp(-0,130·1) = 3,25·104 Бк.

Она через 1 год от начальной составит а1 / а0 = 3,25·104 / 3,7·104 = 0,878.

Масса препарата Со через 1 год:

m(Co)=(a·M) / (λ·NA)= (3,25·104·60)/(0,415·10-8·6,02·1026) =

= 7,8·10-13 кг = 0,78 нг.

Активность препарата Со60 через 5 лет после начала ксплуатации будет равна: а(5)=3,7·104·еxp(-0,130·5) = 1,93·104 Бк.

Ответ: 1) m(Co) = 88,8 ·10-2 нг (масса Co60 в конт-рольном источнике).

2) m(Co) = 0,78 нг (Масса Со60 через 1 год).

3) а(1) = 3,7·104·еxp(-0,130·1) = 3,25·104 Бк (активность через 1 год).

4) а(5) = 3,7·104·еxp(-0,130·5) = 1,93·104 Бк (активность через 5 лет).

41. Указания к решению задач

При решении задач, связанных с определением соответствующего элемента, получающегося в результате - и - распадов, следует помнить следующее: при -распаде ядро теряет положительный заряд и масса его убывает, т.е. соответствующий элемент смещается к началу периодической системы; при - распаде заряд ядра увеличивается и элемент смещается к концу периодической системы.

При решении задач на явление радиоактивности надо различат два случая:

а) имеет место радиоактивный распад изолированного вещества.

Если из условия задачи следует, что время распада пренебрежимо мало по сравнению с периодом полураспада Т данного радиоизотопа, то число нераспавшихся ядер можно считать практически постоянным в течение всего времени и равным их начальному числу . Тогда число распавшихся ядер можно находить по формуле:

(знак «-» опущен, так как здесь под подразумевается положительная величина );

б) происходит распад одного радиоактивного вещества (дочернего), в смеси с другим радиоактивным веществом (материнским), из которого оно возникает.

Следует обратить внимание на особый случай распада Т1 материнского вещества существенно превышает период полураспада Т2 дочернего вещества, т.е. Т1>T2, то по истечении некоторого промежутка времени устанавливается радиоактивное равновесие между этими веществами. При этом число ежесекундно распадающихся ядер дочернего вещества равно числу вновь образующихся ядер этого же вещества в результате распада ядер материнского вещества. Так как активности обоих веществ становятся одинаковыми, то

.

2. В некоторых задачах требуется найти число атомов N, содержащихся в данной массе m некоторого радиоизотопа. Для этого пользуются соотношением:

,

где NA – постоянная Авогадро, - число молей, содержащихся в данном препарате, - молярная масса изотопа.

Напомним, что между молярной массой и его относительной атомной массой существует соотношение

кг/моль.

Решение задач на ядерные реакции основано на применении законов сохранения: 1) электрического заряда; 2) суммарного числа нуклонов; 3) энергии; 4) импульса.

Первые два закона позволяют правильно записывать ядерные реакции даже в тех случаях, когда одна из частиц – участников реакции или ее продуктов – не дана. С помощью вторых двух законов находят кинетические энергии частиц – продуктов реакции, а также направления их разлета.

Процесс столкновения бомбардирующей частицы с ядром – мишенью, при котором частица поглощается ядром, рассматривают как неупругий удар и применяют при этом закон сохранения импульса, как в соответствующих задачах механики.

Чтобы при вычислениях получать значения энергии в мегаэлектронвольтах (МэВ), надо подставить в формулу взятые из справочных таблиц значения масс, выраженные в атомных единицах массы (а.е.м.), а коэффициент , представляющий собой квадрат скорости света в вакууме, положить равным = 931 МэВ/а.е.м.

Обычно при ядерных реакциях энергия Q измеряется величинами порядка 10 МэВ, а энергия покоя даже самого легкого ядра – ядра водорода (т.е. протона) – равна 938 МэВ. Отсюда следует, что, вычисляя скорости частиц – ядер или отдельных нуклонов, их можно считать классическими в следующих случаях: 1) если данные частицы являются продуктами ядерной реакции, вызванной столкновением медленных частиц; 2) если речь идет об определении порога реакции.

Вместе с тем энергия ядерной реакции, как правило, превышает энергию покоя легких частиц – электронов и позитронов, равную 0,511 МэВ. Поэтому, находя скорости или импульсы этих частиц (если они являются продуктами реакции), следует пользоваться формулами для релятивистского импульса и кинетической энергии релятивистской частицы.

Для решения задач необходимо знать обозначения и таких частиц: - электрон (его заряд равен -1, а масса настолько мала, что принимается за нуль); - позитрон; - нейтрон (заряд равен нулю); или - протон (ядро атома водорода).

42. Задачи для контрольных и самостоятельных работ

1. Определить число нейтронов N в m = 300 г воды.

(Отв. N = 8mNA/ = 8·1025).

2. Каков состав ядра атома полония ?

3. Каков состав ядра атома радия ?

4. Каков состав ядра атома алюминия ?

5. Каков состав ядра атома нептуния ?

6.В ядре какого элемента 14 протонов и 14 нейтронов?

7. Определить атомный номер, массовое число и химический символ ядра, которое получится, если в ядре протоны заменить нейтронами, а нейтроны - протонами. (Отв.).

8. Определить заряд ядра в кулонах. (Отв.1,4*10-17 Кл).

9. Сколько ядер изотопа содержится в 4 г природного урана?

10. Химический элемент бор представляет собой смесь двух изотопов с атомными весами 10,02 и 11,01. Сколько процентов каждого из этих изотопов содержится в естественном боре? (Отв. ).

11. Определить массовое число нейтрального атома, ядро которого состоит из четырех протонов и пяти нейтронов. Найти в таблице масс изотопов точное значение массы соответствующего нейтрального атома. (Отв.;9,01504 а.е.м.).

12. В атомном ядре число нейтронов превышает число протонов на k = 42. Определить порядковый номер элемента Z в периодической системе, если массовое число ядра А = 210. (Отв. Z = (A-k)/2 = 84).

13. Определить массу нейтрального атома хрома . Ответ: 8,64.10-26 кг.

14. Определить число протонов и нейтронов, входящих в состав ядер трех изотопов бора: 1); 2); 3).

15. Определить число протонов и нейтронов, входящих в состав ядер трех изотопов кислорода: 1); 2) ; 3) .

16. Определить, пользуясь таблицей Менделеева, число нейтронов и протонов в атомах платины и урана.

17. Определить зарядовые числа ядер, массовые числа и символы ядер, которые получатся, если в ядрах, , нейтроны заменить протонами, а протоны – нейтронами.

18. Во сколько раз радиус ядра урана больше радиуса ядра протона? (Отв. В 6,2 раза).

19. Радиус Солнца 6,95 Мм, а средняя плотность 1410 .Каким был бы радиус Солнца, если при той же массе его плотность равнялась бы плотности ядерного вещества? (Отв. 12,7 км).

20. Найти радиус ядра изотопа

21. Найти радиус ядра изотопа

22. Найти радиус ядра изотопа

23. Найти радиус ядра изотопа

24. Назвать пропущенную частицу:

Объяснить запись ядерной реакции.

25. Назвать пропущенную частицу:

Объяснить запись ядерной реакции.

26. Назвать пропущенную частицу:

Объяснить запись ядерной реакции.

27. Назвать пропущенную частицу:

Объяснить запись ядерной реакции.

28. Назвать недостающую частицу

29. Назвать пропущенную частицу:

Объяснить запись ядерной реакции.

30. Назвать пропущенную частицу:

.

31. Назвать пропущенную частицу:

32. Назвать пропущенную частицу:

33. Назвать пропущенную частицу:

34. Назвать пропущенную частицу:

35. Назвать пропущенную частицу:

36. Написать уравнение следующей реакции: бериллий – 9 поглощает альфа – частицу и после этого распадается на углерод – 12 и нейтрон.

37. Написать уравнение ядерной реакции: углерод -12 поглощает протон, после чего образовавшийся азот – 13 выбрасывает гамма квант и освобождает 1,9 МэВ энергии. При каких условиях возможна данная реакция и почему?

38. Написать уравнение реакции: азот – 13 распадается на углерод – 13 и позитрон, при этом освобождается 1,2 МэВ.

39. Написать уравнение ядерной реакции: торий- 23 испытывает бета – распад и превращается в протактиний-233. Объяснить происхождение бета – частицы при этом распаде.

40. Написать уравнение такой реакции: изотоп лития-7 захватывает изотоп гелия-4 и превращается в бериллий -8 и нейтрон.

41. Написать уравнение такой реакции: нептуний – 239 распадается на плутоний – 239 и электрон. Объясните, откуда взялся электрон.

42. Написать уравнение следующей ядерной реакции: уран – 239 распадается на нептуний -239 и электрон. Объясните, откуда взялся электрон, ведь в ядре его нет.

43. Написать уравнение следующей ядерной реакции: фосфор – 30 распадается на кремний – 30 и позитрон. Объясните, откуда взялся позитрон, ведь в ядре его нет.

44. Написать уравнение следующей ядерной реакции: литий – 7 захватывает протон и распадается на два ядра гелия. При каких условиях возможен такой захват, ведь эти частицы отталкиваются друг от друга?

45. Написать уравнение следующей ядерной реакции: бериллий – 9 захватывает альфа – частицу и распадается на углерод – 12 и позитрон. Объясните появление позитрона, ведь его в ядре нет.

46. Написать уравнение следующей ядерной реакции: литий – 7 захватывает альфа-частицу и распадается на бор – 10 и позитрон. При каких условиях возможен такой захват, ведь частицы имеют одноименные заряды?

47. Написать уравнение ядерной реакции: радий – 226 распадается на радон – 222 и альфа-частицу. Почему происходит такой распад?

48. Объяснить, как изменяется положение химического элемента в таблице Менделеева после α- и β-распадов ядер его атомов.

49. Пользуясь таблицей Менделеева и правилами смещения, определить, в какой элемент превращается после трех α- и двух β-распадов. (Ответ: ).

50. Пользуясь таблицей Менделеева и правилами смещения, определить, в какой элемент превращается после шести α- и трех β-распадов. (Ответ: ).

51. Ядра радиоактивного изотопа тория претерпевают последовательно α-распад, два β--распада и α-распад. Определить конечный продукт деления. (Ответ: ).

52. Определить, сколько β- и α-частиц выбрасывается при превращении ядра таллия в ядро свинца . Ответ: Три β-частицы и одна α-частица.

53. Радиоактивный изотоп радия претерпевает четыре α-распада и два β--распада. Определить для конечного ядра: 1) зарядовое число Z; 2) массовое число А. (Ответ: 1) 82, 2) 209).

54. Записать α-распад радия .

55. Записать β--распад магния .

56. Записать недостающие обозначения x в следующей ядерной реакции: (n, α)х.

57. Записать недостающие обозначения x в следующей ядерной реакции: (α,n)х.

58. Записать недостающие обозначения x в следующей ядерной реакции: x(p,n).

59. Записать недостающие обозначения x в следующей ядерной реакции: (x, p).

60. Записать недостающие обозначения x в следующей ядерной реакции: x(n, α) .

61. Определить зарядовое число Z и массовое число А частицы, обозначенной буквой х, в символической записи ядерной реакции:

.

62. Определить зарядовое число Z и массовое число А частицы, обозначенной буквой х, в символической записи ядерной реакции:

.

63. Определить зарядовое число Z и массовое число А частицы, обозначенной буквой х, в символической записи ядерной реакции:

.

64. Дополнить недостающие обозначения x в ядерное реакции:

.

65. Дополнить недостающие обозначения x в ядерное реакции:

.

66. Дополнить недостающие обозначения x в ядерное реакции:

.

67. Дополнить недостающие обозначения x в ядерное реакции:

.

68. При бомбардировке бериллия () -частицами образуется углерод (). Какая частица выбрасывается в ходе этой реакции?

69. Написать реакцию -распада изотопа тория Th.(Отв. .).

70. Одним из наиболее распространенных источников естественной радиации на Земле является изотоп К. Какое атомное ядро является конечным продуктом бета-распада К? (Отв. ).

71. В процессе радиоактивного распада Np (нептуний) превращается в Pa (протактиний). Какая радиоактивность при этом наблюдается? (Отв.  – радиоактивность).

72. Сколько – и -распадов испытываетU, превращаясь в конечном счете в изотоп Pb? (Отв. 8  – распадов и 6  – распадов).

73. Водород обогащен дейтерием. Определить массовые доли w1 протия иw2 дейтерия, если относительная атомная масса Ar такого водорода оказалась равной 1,122.

74. В результате ядерной реакции образуется ядро нового элемента и нейтрон. Каково обозначение этого элемента? (Отв. ).

75. Массы нейтрона и протона в энергетических единицах равны соответственно mn = 939,6 МэВ и mp = 938,3 МэВ. Определить массу ядра 2H в энергетических единицах, если энергия связи дейтрона = 2,2 МэВ.

76. Торий в результате радиоактивного распада превращается в изотоп свинца . Сколько и частиц выбрасывает при этом атом?

77. Ядро захватило электрон с одной из атомных оболочек. Какое ядро образовалось в результате захвата электрона?

78. Какой порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева имеет элемент, который образуется в результате излучения -кванта ядром элемента с порядковым номером Z?

79. Какой порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева имеет элемент, который образуется в результате излучения - частицы ядром элемента с порядковым номером Z?

80. Какой порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева имеет элемент, который образуется в результате излучения - частицы ядром атома с порядковым номером Z?

81. Ядро радона выбросило - частицу. В какое ядро превратилось ядро радона?

82. При попадании теплового нейтрона в ядро урана происходит деление ядра. Какие силы разгоняют осколки ядра?

83. Из 20 одинаковых радиоактивных ядер за 1 мин испытало радиоактивный распад 10 ядер. Сколько ядер За следующую минуту испытают распад за следующую минуту?

84. Массы нейтральных атомов двух изотопов магния равны соответственно 23,00145 а.е.м. и 23,99264 а.е.м. Определить массовые числа этих изотопов. (Отв. 26; 24).

85. Какова плотность ядерного вещества, выраженная числом нуклонов в 1 и в 1? Считать, что в ядре с массовым числом А все нуклоны (нейтроны и протоны) плотно упакованы в пределах его радиуса. (Отв.нуклонов в 1; 214 ).

86. Определить, сколько ядер в m0=1,0 мг радиоизотопа церия распадается в течение промежутков времени: 1) = 1 год. Период полураспада церия Т=285 суток.

87. За 6 ч начальное количество радиоактивного изотопа уменьшилось в 2 раза. Найти постоянную радиоактивного распада. (Отв.3,2*10-5с-1).

88. Период полураспада составляет 1620 лет. Вычислить постоянную распада .

89. Во сколько раз число распадов ядер радиоактивного йода 131I в течение первых суток больше числа распадов в течение вторых суток? Период полураспада изотопа 131I равен 193 часам.

90. Определить период полураспада радия, если известно, что 1 г радия выбрасывает г - частиц в секунду. (Отв. сек).

91. За какое время произойдет распад 5 мкг радия, если в начальный момент его масса составляет 1г? (Отв. сек).

92. За какое время произойдет распад 20% имеющегося количества радона, если непрерывно удалять радиоактивные продукты распада? (Отв. 1,23 суток).

93. 1 мг радия, продукты распада которого непрерывно удаляют, выделяет в сутки 0,585 кал тепла. Определить энергию -частиц, выбрасываемых радием. (Отв. эВ).

94. Какая доля начального количества радиоактивного вещества останется нераспавшейся через промежуток времени, равный 0,5 периода полураспада? (Отв. 0,71).

95. Какая доля начального количества радиоактивного вещества останется нераспавшейся через промежуток времени, равный 1,5 периода полураспада? (Отв. 0,35).

96. За 8 часов начальное количество радиоактивного изотопа уменьшилось в три раза. Во сколько раз оно уменьшится за сутки, считая от начального момента? (Отв. В 27 раз).

97. Период полураспада радиоактивного изотопа один год. Определить среднюю продолжительность жизни этого изотопа. (Отв. 1,44 года).

98. Образец содержит 1000 радиоактивных атомов с периодом полураспада Т. Сколько атомов останется через промежуток времени T/2? (Отв. 250 атомов).

99. Образец радиоактивного радона содержит радиоактивных атомов с периодом полураспада 3,825 сут. Сколько атомов распадается за сутки? (Отв. ).

101. Определить постоянную радиоактивного распада радия . Какая доля от первоначального числа атомов распадается за 3100 лет? (Отв. ; 0,75).

101. За какое время произойдет распад 2 мг полония , если в начальный момент его масса 0,2 г? (Отв. 28,5 мин.).

102. Определить период полураспада висмута , если известно, что 1 г висмута выбрасывает - частиц за 1 с. (Отв. 5,02 сут).

103. Сколько ядер распадается за 1 с в препарате радиоактивного изотопа иридия и сколько останется атомов этого препарата через 30 суток, если первоначальное его количество 5 г? (Отв.распадов/с; атомов).

104. Сколько атомов в куске урана массой 1г распадается за 1 с? (Отв. ~ 12360 распадов/с).

105. Сколько - частиц выбрасывает 1 г тория за 1 с? (Отв. 4075 частиц/с).

106. Сколько граммов кобальта распадается за 144 суток, если его период полураспада 72 суток, а начальная масса 8 г. (Отв.6 г).

107. За 6 ч начальное количество радиоактивного изотопа уменьшилось в 2 раза. Найти постоянную радиоактивного распада. (Отв.3,2*10-5с-1).

108. Какая часть исходных радиоактивных ядерраспадается за время,равное двум периодам полураспада?

109. При бомбардировке лития () протонами определенной энергии образуется бериллий (). Какая частица выбрасывается в ходе этой реакции?

110. Период полураспада изотопа радиоактивного кобальта () равен 72 сут. Какая часть атомов этого изотопа распадается за 216 сут?

111. Определить энергию связи ядра атома лития

112. Какова энергия связи ядра изотопа натрия ? Масса ядра равна 22,9898 а.е.м. Ответ округлите до целых.

113. Определить дефект массы ядра атома гелия-4.

114. Определить энергию связи ядра атома кислорода-16.

115. Определить энергию связи атома дейтерия.

116. Определите энергию, выделившуюся при протекании следующей реакции:  . Ответ выразите в пикоджоулях (пДж) и округлите до целых.

117. Найти дефект массы m ядра изотопа лития Li. Масса ядра лития m = 11,6505·10-27кг, масса протона mр = 1,67265·10-27кг, масса нейтрона mn = 1,67495·10-27кг.

(Отв. m = Zmp+(A-Z)mn-m = 6,725·10-29 кг).

118. Найти энергию связи E ядра изотопа Ne. Масса ядра изотопа m = 33,1988·10-27кг. Массы протона и нейтрона смотрите в условии задачи 5.79. (Отв. E = [Zmp+(A-Z)mn-m]c2 = 2,49·10-11 Дж).

119. Определить удельную энергию связи для ядра .

120. Определить энергию связи ядра атома .

121. Найти энергию, освобождающуюся при ядерной реакции . Массы атомов изотопов соответственно равны 1,00783; 2,01410; 3,01605.

122. Определить энергию E, которую нужно затратить для отрыва нейтрона от ядра 11Na 23.

123. Вычислить массу ядра изотопа

124. Найти дефект массы для ядер и вычислить дефект массы на 1 нуклон.

125. Найти энергию, выделяющуюся при делении 1 г урана – 235.

126. Массы нейтральных атомов в а.е.м.: 16O  -   15,9949; 15O  -   15,0030; 15N  -   15,0001. Чему равны энергии отделения нейтрона и протона в ядре 16O?

127. Определить энергию W, выделяемую 1 мг препарата 210Po за время, равное среднему времени жизни, если при одном акте распада выделяется энергия E = 5,4 МэВ.

128. Энергии связи ядер 114Cd, 114In и 114Sn равны соответственно 972,63 МэВ, 970,42 МэВ и 971,61 МэВ. Определить возможные виды - распада ядра 114In.

129. Массы нейтрона и протона в энергетических единицах равны соответственно mn = 939,6 МэВ и mp = 938,3 МэВ. Определить массу ядра 2H в энергетических единицах, если энергия связи дейтрона Eсв (d) = 2,2 МэВ.

130. Найдите энергию –частиц, способных вызвать на ядрах азота-14 реакцию, продуктом которой являются протоны.

131. Вычислить в мегаэлектронвольтах энергию покоя -частицы. Определить скорость -частицы, если ее кинетическая энергия равна 10 МэВ.(Отв. 3727 МэВ; 2,2м/с).

132. Вычислить энергию связи ядер наиболее тяжелого изотопа водорода – трития и бора . (Отв.8,5 МэВ; ~ 76,3 МэВ).

133. Энергия связи дейтрона (ядра тяжелого водорода) 2,2 МэВ. Определить массу ядра и массу нейтрального атома в атомных единицах массы. (Отв. 2,01416 а.е.м.; 2,01471 а.е.м.).

134. Вычислить энергию связи ядер и . Какое из этих ядер более устойчиво? (Отв.8,5 МэВ;7,7 МэВ).

135. Найти энергию связи ядер урана и . Какое из этих ядер более устойчиво? (Отв. 1786 МэВ; 1804 МэВ).

136. Вычислить энергию связи, приходящуюся на один нуклон в ядрах бериллия , меди и серебра . (Отв. 6,38 МэВ; 8,75 МэВ; 8,56 МэВ).

137. Найдите удельную энергию связи ядра атома кобальта. Сравните энергии связи нуклонов в ядрах атомов трития () и кобальта (). (Отв.Дж/нуклон).

138. Позитрон и электрон, соединяясь между собой, превращаются в два гамма кванта. Сколько при этом освобождается энергии? Скоростями позитрона и электрона пренебречь.

139. Рассчитайте энергетический выход реакции:

140. При захвате ядром урана U нейтрона происходит деление этого ядра на два осколка. Одним из осколков является ядро стронция Sr. Определить количество нейтронов в ядре второго осколка. (Отв. 88 нейтронов).

141. Ba – один из осколков, образующихся при делении урана U. Найти другой осколок, если при делении испускается еще три нейтрона. (Отв. ).

142. При делении урана – 235 в результате захвата медленного нейтрона образуются осколки: ксенон – 139 и стронций – 94. Одновременно выделяются три нейтрона. Найти энергию, освобождающуюся при одном акте деления.

143. 1 г радия – 226, находящийся в равновесии с продуктами распада, выделяет за t= 1 с E= МэВ. Сколько времени потребуется, чтобы нагреть m = 10 г воды от 0 до за счет энергии радиоактивного распада находящегося в воде 1 г радия -226? Потерями пренебречь.

144. Активность препарата 32P, равна 2 мкКи. Сколько весит такой препарат? Период полураспада T1/2 для 32P равен 14,5 суток.

145. Тепловая мощность ядерного реактора 10000 кВт. Какое количество урана -235 потребляет реактор в сутки? (Отв. 10,5 г)

146. Сколько ядер урана-235 должно делиться в 1 сек, чтобы тепловая мощность ядерного реактора была равна 1 Вт? (Отв.).

147. При какой скорости движения кинетическая энергия протона будет равна энергии связи ядра атома лития? (м/с).

148. Изотоп иттрий – 91, содержащийся в продуктах деления ядра урана, испускает -частицы с энергией q=1,53 МэВ. Найти массу m иттрия – 91, при распаде которой выделится Q= 80 Дж тепла, если энергия -частиц превратится в теплоту.

149. Атомный реактор приводит в действие турбогенератор мощностью N = 2·108 Вт. Определить КПД реактора, если в течение суток расход уранаU составляет 0,54 кг. Считать, что при делении одного ядра урана выделяется Е1 = 3,2·10-11 Дж энергии. (Отв.  = = 0,39).

150. Тепловая мощность ядерного реактора 107Вт. Сколько урана потребляет реактор в сутки? За каждый процесс деления ядра урана выделяется 200 МэВ энергии.

151. Природный уран состоит на n1 = 0,7% из изотопа 235U и на n2 = 99,3% - из 238U. По современным представлениям, все элементы тяжелее железа образовались при взрывах сверхновых звезд, а после этого из получившихся газопылевых облаков, в частности, образовались планеты. По-видимому, в этих выбросах всех изотопов урана было примерно поровну. Оцените, сколько лет назад произошел тот выброс вещества, из которого сформировалась наша Земля. Период полураспада, т. е. время, в течение которого число атомов данного изотопа уменьшается в 2 раза, для 235U равно T1 = 7*108 лет, а для 238U - T2 = 4,5*109 лет.

152. Массы нейтральных атомов в а.е.м.: 16O  -   15,9949, 15O  -   15,0030, 15N  -   15,0001. Чему равны энергии отделения нейтрона и протона в ядре 16O?

153. Активность препарата 32P, равна 2 мкКи. Сколько весит такой препарат? Период полураспада T1/2 для 32P равен 14,5 суток.

154. Во сколько раз число распадов ядер радиоактивного иода 131I в течение первых суток больше числа распадов в течение вторых суток? Период полураспада изотопа 131I равен 193 часам.

155. Энергии связи ядер 114Cd, 114In и 114Sn равны соответственно 972,63 МэВ, 970,42 МэВ и 971,61 МэВ. Определить возможные виды - распада ядра 114In.

156. Определить постоянную распада, среднее время жизни ядра и число ядер радиоактивного изотопа иода , распавшегося в течение суток, если первоначальная масса йода была 10 мг.

157. Определить возраст древних деревянных предметов, если удельная активность изотопа в них составляет 3/5 удельной активности этого же изотопа в только что срубленных деревьях.

158. Активность некоторого радиоактивного препарата уменьшается в 2,5 раза за 7 суток. Найти его период полураспада и среднюю продолжительность жизни ядра.

159. Счетчик Гейгера, установленный вблизи препарата радиоактивного изотопа серебра, при первом измерении регистрировал 5200 -частиц в минуту, а через сутки только 1300. Определить период полураспада изотопа.

160. Мощность двигателя атомного судна составляет 15 МВт, его КПД равен 30%. Определить месячный расход ядерного горючего при работе этого двигателя. Считать, что при каждом акте деления ядра урана-235 выделяется энергия 200 МэВ.

161. Найти электрическую мощность атомной электростанции, расходующей 0,1 кг урана-235 в сутки, если КПД станции равен 16%. Считать энергию, выделяющуюся при одном акте деления ядра урана-235, равной 200 МэВ.

162. Определить массовый расход урана-235 в ядерном реакторе атомной электростанции. Тепловая мощность электростанции равна 10 МВт, КПД электростанции составляет 20%. Считать, что при каждом акте деления ядра урана-235 выделяется энергия 200 МэВ.

163. Найти мощности экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз на расстоянии 1,5 м от препарата радиоактивного кобальта-60 массой 1 мг.

164. Определить экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы от 0,1 г препарата радия-226 за 20 минут на расстоянии 1 м.

165. Найти экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы для биологической ткани при облучении в течении 10 минут препаратом иридия-192 массой 5 мг, находящимся на расстоянии 20 см.

166. Определить, какую часть массы нейтрального атома (m = 19,9272.10-27 кг) составляет масса его электронной оболочки. (Ответ: 2,74.10-4).

167. Определить плотность ядерного вещества, выражаемую числом нуклонов в 1 см3, если в ядре с массовым числом А все нуклоны плотно упакованы в пределах его радиуса. (Ответ: = 3/(4πRd3) = 8,7.1037 см-3).

168. Объяснить, почему плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер.

169. Определить, что больше – масса атомного ядра или масса свободных нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в его состав.

170. Определить, какая энергия в электрон-вольтах соответствует дефекту массы Δm = 3·10-20 мг. (Ответ: 16,9 ГэВ).

171. Определить энергию связи ядра атома гелия . Масса нейтрального атома гелия равна 6,6467.10-27 кг. (Ответ: 28,4 МэВ).

172. Определить удельную энергию связи δЕСВ (энергию связи, отнесенную к одному нуклону) для ядер: 1) ; 2) . Массы нейтральных атомов гелия и углерода соответственно равны 6,6467.10-27 и 19,9272.10-27 кг. (Ответ: 1) 7,1 МэВ/нуклон; 2) 7,7 МэВ/нуклон).

173. Используя данные задачи 10.13, определить, какая необходима энергия, чтобы разделить ядро на три альфа-частицы. (Ответ: 7,26 МэВ).

174. Определить массу изотопа , если изменение массы при образовании ядра составляет 0,2508.10-27 кг. (Ответ: 2,4909.10-26 кг).

175. При отрыве нейтрона от ядра гелия образуется ядро . Определить энергию, которую необходимо для этого затратить. Массы нейтральных атомов и соответственно равны 6,6467·40-27 и 5,0084·10-27 кг. (Ответ: 20,64 МэВ).

176. Энергия связи EСВ ядра, состоящего из трех протонов и четырех нейтронов, равна 39,3 МэВ. Определить массу m нейтрального атома, обладающего этим ядром. (Ответ: 1,165.10-26 кг).

177. Определить, какую долю кинетической энергии теряет нейтрон при упругом столкновении с покоящимся ядром углерода , если после столкновения частицы движутся вдоль одной прямой. Массу нейтрального атома углерода принять равной 19,9272·10-27 кг. (Ответ: 0,286).

178. Определить число нуклонов, которые могут находиться в ядре на наинизшем квантовом уровне. (Ответ: 4).

179. Определить, во сколько раз магнетон Бора (единица магнитного момента электрона) больше ядерного магнетона (единица магнитного момента ядра). (Ответ: В 1835 раз).

180. Охарактеризовать свойства и особенности сил, действующих между составляющими ядро нуклонами.

181. Объяснить принципы построения ядерной и оболочечной моделей ядра.

182. Объяснить, почему радиоактивные свойства элементов обусловлены только структурой их ядер.

183. Считая постоянную λ радиоактивного распада известной и используя закон радиоактивного распада, вывести выражение для: 1) периода полураспада Т1/2радиоактивного ядра; 2) среднего времени жизни τ радиоактивного ядра. (Ответ: 1) Т1/2 = (ln2)/λ; 2) τ = 1/λ).

184. Определить постоянную радиоактивного распада λ для изотопов: 1) тория ; 2) урана ; 3) иода I. Периоды полураспада этих изотопов соответственно равны: 1) 7.103лет; 2) 4,5.109 лет; 3) 8 сут. (Ответ: 1) 3,13·10-12 с-1; 2) 4,87·10-18 с-1; 3) 10-6 с-1).

185. Определить, что (и во сколько раз) продолжительнее – три периода полураспада или два средних времени жизни радиоактивного ядра.

186. Определить, во сколько раз начальное количество ядер радиоактивного изотопа уменьшится за три года, если за один год оно уменьшилось в 4 раза. (Ответ: В 64 раза).

187. Определить, какая часть (%) начального количества ядер радиоактивного изотопа останется нераспавшейся по истечении времени t, равного двум средним временам жизни τ радиоактивного ядра. (Ответ: 13,5 %).

188. Определить, какая часть начального количества ядер радиоактивного изотопа распадется за время t, равное двум периодам полураспада T1/2. (Ответ: 0,75).

189. Определить период полураспада радиоактивного изотопа, если 5/8 начального количества ядер этого изотопа распалось за время t = 849 с. (Ответ: 10 мин).

190. Период полураспада радиоактивного изотопа актиния составляет 10 сут. Определить время, за которое распадется 1/3 начального количества ядер актиния. (Ответ: 5,85 сут).

191. Постоянная радиоактивного распада изотопа равна 10-9 с-1. Определить время, в течение которого распадется 2/5 начального количества ядер этого радиоактивного изотопа. (Ответ: 16,2 года).

192. Первоначальная масса радиоактивного изотопа иода (период полураспада Т1/2 = 8 сут) равна 1 г. Определить: 1) начальную активность изотопа; 2) его активность через 3 сут. (Ответ: 1) 4,61·1015 Бк; 2) 3,55·1015 Бк).

193. Активность некоторого радиоактивного изотопа в начальный момент времени составляла 100 Бк. Определить активность этого изотопа по истечении промежутка времени, равного половине периода полураспада. (Ответ: 70,7 Бк).

194. Начальная активность 1 г изотопа радия равна 1 Ки. Определить период полураспада T1/2 этого изотопа. (Ответ: 1582 года).

195. Принимая, что все атомы изотопа магния ½=10 мин) массой m = 1 мкг радиоактивны, определить: 1) начальную активность А0 этого изотопа; 2) его активность А через 3 сут. (Ответ: 1) 4,61 ТБк; 2) 3,55 ТБк).

196. Определить период полураспада T1/2 некоторого радиоактивного изотопа, если его активность за 5 сут уменьшилась в 2,2 раза. (Ответ: 4,4 сут).

197. Определить удельную активность а (число распадов в 1 с на 1 кг вещества) изотопа , если период его полураспада T1/2 = 4,5·109 лет. (Ответ: a = NA(ln2)/(MT1/2) = 12,З МБк/кг).

198. Покоившееся ядро радона испускает α-частицу, имеющую скорость 16 Мм/с. Зная, что масса дочернего ядра составляет 3,62·10-25 кг, определить: 1) импульс α-частицы; 2) кинетическую энергию α-частицы; З) импульс отдачи дочернего ядра; 4) кинетическую энергию отдачи дочернего ядра. (Ответ: 1) 1,07.10-19кг.м/с; 2) 5,35 МэВ; 3) 1,07.10-19 кг.м/с; 4) 9,89 кэВ).

199. Покоившееся ядро полония испускает α-частицу с кинетической энергией Тα = 5,77 МэВ. Определить: 1) скорость отдачи дочернего ядра; 2) какую долю кинетической энергии α-частицы составляет энергия отдачи дочернего ядра. (Ответ: 1) 339 км/с; 2) 0,02).

200. Определить энергию, выделяющуюся в результате реакции . Массы нейтральных атомов магния и натрия соответственно равны 3,8184.10-26 и 3,8177.10-26 кг. (Ответ: Q = 2,91 МэВ).

201. Известно, что β--активные ядра обладают до распада и после него вполне определенными энергиями, в то же время энергетический спектр β--частиц является непрерывным. Объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов.

202. Объяснить, почему существование антинейтрино полностью позволяет объяснить все особенности β--распада.

203. Объяснить, почему при α-распаде одинаковых ядер энергии α-частиц одинаковы, а при β--распаде одинаковых ядер энергии электронов различны.

204. Применяя понятия квантовой статистики, объяснить, почему невозможно принципиально создать «нейтринный лазер».

205. Описать основные процессы, происходящие при взаимодействии γ-излучения с веществом.

206. Свободное покоившееся ядро (m = 317,10953.10-27 кг) с энергией возбуждения E = 129 кэВ перешло в основное состояние, испустив γ-квант. Определить изменение энергии γ-кванта, возникающее в результате отдачи ядра. Ответ: Δε = E2/(mc2) = 0,047 эВ.

207. Назвать два важных механизма, которыми можно объяснить ослабление потока фотонов с энергией Е = 500 кэВ при его прохождении через вещество.

208. Объяснить, где и почему лучше исследовать длинные цепи рождений и распадов частиц высоких энергий – в камере Вильсона или в пузырьковой камере.

209. Определить, является ли реакция экзотермической или эндотермической. Определить энергию ядерной реакции. Ответ: 1,64 МэВ.

210. Определить, поглощается или выделяется энергия при ядерной . Определить эту энергию. Ответ: 17,6 МэВ.

211. Определить, выделяется или поглощается энергия при ядерной реакции . Массы ядер, участвующих в реакции:  = 7,2992·10-26 кг,  = 1,6736·10-227 кг,

 = 6,8021·10-27 кг,  = 6,6467.10-27 кг.

212. Определить, выделяется или поглощается энергия при ядерной реакции . Массы ядер, участвующих в реакции:  = 2,3253·10-26 кг,  = 6,6467·10-27 кг,

 = 1,6737·10-27 кг,  = 2,8229.10-26 кг.

213. В ядерной реакции выделяется энергия ΔW = 3,27 МэВ. Определить массу атома , если масса атома равна 3,34461·10-27 кг. 9Ответ: 5,00841.10-27кг).

214. Жолио-Кюри облучали алюминий α-частицами, в результате чего испускался нейтрон и образовывалось искусственно-радиоактивное ядро, испытывающее β+-распад.. Записать эту реакцию.

215. Жолио-Кюри облучали магний α-частицами, в результате чего испускался нейтрон и образовывалось искусственно-радиоактивное ядро, испытывающее β+-распад. Записать данную реакцию.

216. В процессе осуществления реакции γ энергия E0 фотона составляла 2,02 МэВ. Определить суммарную кинетическую энергию позитрона и электрона в момент их возникновения. (Ответ: 1 МэВ).

217. При столкновении позитрона и электрона происходит их аннигиляция, в процессе которой электронно-позитронная пара превращается в два γ-кванта, а энергия пары переходит в энергию фотонов. Определить энергию каждого из возникших фотонов, принимая, что кинетическая энергия электрона и позитрона до их столкновения пренебрежимо мала. (Ответ: 0,51 МэВ).

218. Записать схему электронного захвата (е-захвата) и объяснить его отличие от β±-распадов. Привести пример электронного захвата.

219. Ядро урана , захватывая быстрый нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп урана, который претерпевает β--распад, и превращается в трансурановый элемент, который в свою очередь также претерпевает β--распад, в результате чего образуется плутоний. Записать все эти процессы в виде ядерной реакции.

220. Определить кинетическую энергию Т и скорость V теплового нейтрона при температуре окружающей среды, равной 17 °С. (Ответ: T = 6·10-21 Дж; V = 2,68 км/с).

221. Ядро урана, , захватывая тепловой нейтрон, делится на два осколка с массовыми числами 95 и 139, второй из которых, являясь радиоактивным, претерпевает три β--распада. Записать реакцию деления, а также цепочку β--распадов.

222. При захвате теплового нейтрона ядром урана образуются два осколка деления и два нейтрона. Определить порядковый номер Z и массовое число А одного из осколков, если другим осколком является ядро стронция .

223. Объяснить, почему деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии.

224. Определить энергию (в электрон-вольтах), которую можно получить при расщеплении 1 г урана , если при расщеплении каждого ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. (Ответ: 5,12.1023 МэВ).

225. Определить суточный расход чистого урана атомной электростанцией тепловой мощностью P = 300 МВт, если энергия E, выделяющаяся при одном акте деления, составляет 200 МэВ. (Ответ: 316 г).

226. Определить число нейтронов, возникающих за 1 с в ядерном реакторе тепловой мощностью P = 200 МВт, если известно, что при одном акте деления выделяется энергия E = 200 МэВ, а среднее число нейтронов на один акт деления составляет 2,5. (Ответ: 1,56·1019 с-1).

227. Объяснить, почему реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых – является колоссальным источником энергии.

228. Объяснить, почему для протекания термоядерной реакции необходимы очень высокие температуры.

229. Найти период полураспада T1/2 радиоактивного изотопа, если его активность за время t=10 сут уменьшилась на 24% по сравнению с первоначальной.

230. Определить, какая доля радиоактивного изотопа 89Ac225 распадается в течение времени t=6 сут.

231. Активность А некоторого изотопа за время t=10 сут уменьшилась на 20%. Определить период полураспада T1/2 этого изотопа.

232. Определить массу m изотопа 53I131, имеющего активность А=37 ГБк.

233. Найти среднюю продолжительность жизни  атома радиоактивного изотопа кобальта 27Co60.

234. Счетчик -частиц, установленный вблизи радиоактивного изотопа, при первом измерении регистрировал N1=1400 частиц в минуту, а через время t=4 ч - только N2=400. Определить период полураспада T1/2 изотопа.

235. Во сколько раз уменьшится активность изотопа 15P32 через время t=20 сут?

236. На сколько процентов уменьшится активность изотопа иридия 77Ir192 за время t=15 сут?

237. Определить число N ядер, распадающихся в течение времени: 1) t1=1 мин; 2) t2=5 сут, - в радиоактивном изотопе фосфора 15P32 массой m=1 мг.

238. Из каждого миллиона атомов радиоактивного изотопа каждую секунду распадается 200 атомов. Определить период полураспада T1/2 изотопа.

239. Вычислить энергию связи Есв ядра дейтерия 1H2 и трития 1H3.

240. Определить число N атомов радиоактивного препарата йода 53I131 массой т=0,5 мкг, распавшихся в течение времени: 1) t1=1 мин; 2) t2=7 суток.

241. Определить активность А радиоактивного препарата массой т=0,1 мкг.

242. Сколько атомов полония распадается за сутки из 1 млн. атомов?

243. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: 92U234, 92U235, 92U238. Содержание урана 92U234 ничтожно (0,006%), на долю 92U235 приходится 0,71%, а остальную массу (99,28%) составляет уран 92U238. Периоды полураспада этих изотопов соответственно равны 2,5·105 лет, 7,1·108 лет и 4,5·109 лет. Вычислить процентную долю радиоактивности, вносимую каждым изотопом в общую радиоактивность природного урана.

244. К 10 мг радиоактивного изотопа 20Са45 примешано 30 мг нерадиоактивного изотопа 20Са40. Насколько уменьшилась удельная активность препарата?

245. Вычислить энергетический эффект Q реакции:

4Be9 +2He46C12 +0n1.

246. Вычислить энергетический эффект Q реакции:

3Li6 +1H12He3 +2He4.

247. Найти число протонов и нейтронов, входящих в состав ядер трех изотопов магния: 1) 12Mg24, 2) 12Mg25 и 3) 12Mg26.

248. Найти энергию связи ядра изотопа лития 3Li7.

249. Найти энергию, освобождающуюся при ядерной реакции

3Li7 +1H12He4 +2He4.

250. Какая энергия выделится, если при реакции

13Al27 +2He414Si30 +1H1.

подвергаются превращению все ядра, находящиеся в 1 г алюминия? Какую энергию надо затратить, чтобы осуществить это превращение, если известно, что при бомбардировке ядра алюминия α - частицами с энергией в 8 МэВ только одна α - частица из 2·106 частиц вызывает превращение?

251. Принимая, что источником энергии солнечного излучения является энергия образования гелия из водорода по следующей циклической реакции:

6C12 + 1H17Ni136C13 + +1e0,

6C13 + 1H17Ni14,

7N14 + 1H18O157N15 + +1e0,

7N15 + 1H16C12 + 2He4.

252. Подсчитать, сколько тонн водорода ежесекундно должно превращаться в гелий. Солнечная постоянная равна 1,96 кал/(см2 мин). Принимая, что водород составляет 35% массы Солнца, подсчитать, на сколько лет хватит запаса водорода, если излучение Солнца считать неизменным.

253. В качестве источника нейтронов употребляется трубка, содержащая порошок бериллия 4Ве9 и газообразный радон. При реакции α – частиц, испускаемых радоном, с бериллием возникают нейтроны. Написать реакцию получения нейтронов. Найти количество радона, введенного в источник при его изготовлении, если известно, что этот источник дает через 5 суток после его изготовления 1,2·106 нейтронов в 1 сек. Выход такой реакции равен 1/4000, т. е. только одна α - частица из 4000 вызывает реакцию.

254. В реакции 7N14(α, р) кинетическая энергия α - частицы равна W=7,7 МэВ. Найти, под каким углом к направлению движения α - частицы вылетает протон, если известно, что его кинетическая энергия W=8,5 МэВ.

255. Изотоп гелия 2Не3 получается бомбардировкой ядер трития 1H3 протонами. Написать уравнение ядерной реакции. Найти энергию, выделяющуюся при этой реакции. Найти «порог» ядерной реакции, т. е. найти минимальное значение кинетической энергии бомбардирующей частицы, при которой происходит эта реакция. Учесть, что при пороговом значении кинетической энергии бомбардирующей частицы относительная скорость частиц, возникающих в результате реакции, равна нулю.

256. Определить дефект масс, энергию связи и удельную энергию связи изотопа углерода 6С12.

257. Какую энергию необходимо затратить, чтобы разделить ядро кислорода 8O16 на отдельные нуклоны? Какова величина дефекта масс этого ядра ?

258. Найти энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро лития 3Li6 а)на три равные части; б) на альфа – частицу и ядро дейтерия.

259. Найти энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро углерода 6C12 а) на две одинаковые части; б) на три одинаковые части.

260. В приведенной термоядерной реакции установить ядро, обозначенное символом «х», и рассчитать энергетический эффект реакции х + х →2He4+2n

261. В приведенной термоядерной реакции установить ядро, обозначенное символом «х», и рассчитать энергетический эффект реакции х + х →2He4+2 1H1

262. В приведенной термоядерной реакции установить ядро, обозначенное символом «х», и рассчитать энергетический эффект реакции 3Li6 + 3Li6 →x+2He4+1H1

263. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию: x + 1H22He4+1H3+1H1

264. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию:

3Li6 + x →2He4+2He3+n

265. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию:

x + 1H35B11+2He4+n.

266. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию:

6C13 + 1H3 →x+1H2.

267. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию:

6C12 + x →7N14+2He4.

268. В приведенной ниже термоядерной реакции установить ядра, обозначенные символом «х», указать, в какой из них выделяется больше энергии и рассчитать эту энергию:

6C12 + 3Li68O16+x

269. Дописать схему ядерной реакции, установив ядро, обозначенное символом «х». Определить энергетический эффект реакции в расчете на один нуклон 3Li6 + 1H1 →2x+n .

270. Какую энергию необходимо затратить, чтобы разделить на отдельные нуклоны ядра 3Li7 и 4Ве7? Почему для изотопа 4Ве7 эта энергия меньше, чем для 3Li7?

271. Атомное ядро, поглотив гамма-квант с длиной волны 0.47 пм перешло в возбужденное состояние и распалось на отдельные нуклоны. Суммарная кинетическая энергия всех нуклонов Т=26.3 МэВ. Определить энергию связи ядра.

272. Определить энергию, необходимую для разделения ядра 10Ne20 на ядро углерода 6C12 и две альфа-частицы, если известно, что удельные энергии связи в ядрах 10Ne20, 6C12, 2He4 соответственно равны: 8.3; 7.68; 7.07 МэВ на нуклон.

273. При бомбардировке ядер лития 3Li7 протонами с энергией 1МэВобразуются две альфа-частицы, имеющие одинаковые скорости и движущиеся под одинаковыми углами с направлением движения протона. Определить скорость альфа-частиц. Написать схему ядерной реакции.

274. Энергия связи ядра кислорода 8O16 равна 139,8 МэВ, а ядра фтора 9F19 - 147,8 МэВ. Какую минимальную энергию нужно затратить, чтобы удалить один протон из ядра фтора? Написать схему реакции.

275. Написать схему альфа-распада ядра 88Ra226 . Считая, что до распада ядро радия покоилось, найти отношение импульсов и кинетических энергий продуктов распада.

276. Написать схему альфа-распада ядра 94Pu238 . Вычислить энергию, выделяющуюся при таком распаде, если энергия связи материнского ядра равна 1801,3 МэВ, а у дочернего – 1778,5 МэВ.

277. Написать схему альфа-распада ядра 84Po210. Вычислить энергию, выделяющуюся при таком распаде, если у материнского ядра энергия связи равна 1645.2 МэВ, а у дочернего - 1622.3 МэВ .

278. Ядро висмута 83Bi210 может испытывать как альфа-распад, так и бета-распад. Написать схемы распадов. Для альфа-распада вычислить выделившуюся энергию, если материнское ядро имеет энергию связи равную1644.8 МэВ , а дочернее -1621.6 МэВ.

279. При электронном распаде ядра 12Mg28 образуется новое радиоактивное ядро, в результате распада которого получается стабильный изотоп. Написать схему обоих распадов. Считая массу покоя антинейтрино равной нулю, рассчитать энергию, выделяемую при обоих распадах, если энергия связи ядра 12 Mg28равна 231,6 МэВ, а у конечного продукта распада – 236.5 МэВ.

280. В результате позитронного распада ядра 14Si26 образуется ядро, которое при β+ - распаде становится ядром стабильного изотопа. Написать схемы обоих распадов. Считая массу покоя нейтрино равной нулю, найти энергию, выделяемую при обоих распадах, если энергия связи исходного ядра равна 243.8 МэВ , а конечного - 255.2 МэВ.

281. Альфа-частица, обладающая кинетической энергией 5.3 МэВ вызывает ядерную реакцию 4Be9 + 2He46C12 + n. Нейтрон вылетает под прямым углом к направлению движения альфа-частицы. Какова кинетическая энергия ядра углерода ?

282. Найти энергетический эффект реакции 4Be9 + 1H12He4 + 3Li6, если известно, что кинетические энергии протона и альфа-частицы равны соответственно 5.45 МэВ и 4 МэВ, причем альфа-частица вылетела под углом 90 o к направлению движения протона. Ядро-мишень 4Ву9 неподвижно.

283. Деление ядер урана 92U235 под действием медленных нейтронов может осуществляется, например, по схеме 92U235 + n → 54Xe140 + x + 2n . Установить ядро обозначенное символом «х» . Продукты деления в результате ряда β- - распадов превращаются в стабильные ядра 58Ce140 и 40Zr94 . Написать схемы этих β- - распадов. Считая, что энергии связи ядер U235, Ce140 и Zr94 равны соответственно 1783.8 ; 1117.9 ; 814.7 МэВ , а масса покоя антинейтрино равна нулю, найти суммарную энергию, выделяющуюся в процессе деления и при последующих превращениях ядер.

284. Период полураспада изотопа 15P32 равен 14 дней. Во сколько раз уменьшится активность препарата за 20 дней ? За какое время активность уменьшится в 9 раз ?

285. Счетчик альфа-частиц установленный вблизи радиоактивного препарата, при первом измерении за минуту регистрировал 1600 частиц, а через 4 часа только 400 частиц. Найти период полураспада изотопа. Сколько частиц за одну минуту будет регистрировать счетчик через 6 часов ?

286. Найти период полураспада радиоактивного изотопа, если его активность через 10 суток уменьшилась на 25 % по сравнению с первоначальной. Через какое время останется 25 % исходного количества ядер этого изотопа.

287. Активность радиоактивного изотопа за 20 суток уменьшилась в 3 раза. Найти среднее время жизни этих ядер этого изотопа. Во сколько раз уменьшится активность через 60 суток ?

288. Количество ядер радиоактивного изотопа за 6 месяцев уменьшилась в 8 раз. Найти период полураспада этого изотопа. За какое время количество ядер уменьшится в 32 раза ?

289. Из каждого миллиона атомов радиоактивного изотопа каждую секунду распадается 100 атомов. Во сколько раз уменьшится исходное число ядер этого изотопа за время 10000 с . Найти период полураспада этого изотопа.

290. Найти период полураспада и среднее время жизни ядер радиоактивного изотопа, если за 5 часов распадается 25 % от начального количества ядер. Какая часть ядер от их начального числа останется через 10 часов ?

291. Счетчик радиоактивного излучения, помещенный вблизи изотопа Na24 в начале регистрировал 204 отсчета за одну секунду. Через сутки он регистрирова лишь 68 отсчетов в секунду. Найти период полураспада изотопа. За какое время активность препарата уменьшится в 17 раз.

292. Период полураспада ядер трития 1H3 составляет 12 лет . Найти активность 0.001 моля “сверхтяжелой воды”. Какое количество ядер гелия 2He3 образуется в результате распада ядер трития за 6 лет ?

293. Какое количество гелия (в молях) образуется из 0.002 молей альфа-радиоактивного препарата за время равное удвоенному значению периоду полураспада? Какое число ядер изотопа останется нераспавшимся за это время?

294. Какое количество теплоты выделится при распаде 0.01 моля альфа-радиоактивного изотопа за время, равное половине периода полураспада. Энергия, которая выделяется при альфа-распаде составляет 5.5 МэВ.

295. 10 миллиграмм альфа-радиоактивного препарата висмута Bi214 с периодом полураспада 20 минут заключены в герметичную капсулу, объемом 10 см3 . Найти приращение давления в капсуле (за счет образования гелия) через 10 мин. после ее закрытия, если температура капсулы 300 К ?

296. В калориметре , теплоемкость которого С равна 1000 Дж/К, помещены 0.001 моля радиоактивного препарата. Через 60 мин. после начала опыта температура колориметра увеличилась на 0.6 К . Считая, что при распаде ядра выделяется энергия 3.5 МэВ найти период полураспада изотопа.

297. При альфа-распаде полония Po210 в течении 1 часа образовался гелий, который при нормальных условиях занял объем 89.5 см3. Определить исходную массу полония, если период его полураспада Т = 138 дней.

298. В калориметр поместили моля альфа-радиоактивного препарата Bi214 с периодом полураспада 20 минут. Какова теплоемкость калориметра, если через 10 минут после начала опыта его температура повысилась на 20 К ? При распаде ядра выделяется энергия примерно 5 МэВ.

Контрольные вопросы

  1. Что такое изотопы и изобары?

  2. Какие виды радиоактивных излучений существуют в природе? Дайте характеристику каждому из них.

  3. Как на практике можно различить искусственные и естественные изотопы?

  4. Что называется периодом полураспада?

  5. Запишите правила смещения для – и –распадов?

  6. Выведите и сформулируйте закон радиоактивного распада.

  7. Почему искусственные изотопы распадаются быстрее естественных?

  8. Что называется активностью?

Приложения

  1. Греческий алфавит

Обозначения букв

Названия букв

Обозначения букв

Названия букв

,

альфа

,

ню

,

бета

,

кси

,

гамма

,

омикрон

,

дельта

,

пи

,

эпсилон

,

ро

,

дзета

,

сигма

,

эта

T,

тау

,

тэта



ипсилон

,

йота

,

фи

,

каппа

,

хи

,

ламбда

,

пси

,

ми

,

омега

2. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования

Приставка

Приставка

Наименование

Обозна-чение

Множитель

Наименование

Обозначние

Множитель

экса

Э

1018

деци

д

10-1

пэта

П

1015

санти

с

10-2

тера

Т

1012

милли

м

10-3

гига

Г

109

микро

мк

10-6

мега

М

106

нано

н

10-9

кило

к

103

пико

п

10-12

гекто

г

102

фемто

ф

10-15

Дека

да

101

атто

а

10-18

3. Некоторые физические постоянные

(округленные значения)

Физическая постоянная

Обозна-чение

Значение

Постоянная Авогадро

NA

6,02.1023 моль-1

Универсальная газовая постоянная

R

8,31 Дж/ (моль.К)

Постоянная Больцмана

К

1,38.1023 Дж/К

Скорость света в вакууме

c

3,0 . 108 м/с

Электрическая постоянная

0

8,85  1012 Ф/м

Магнитная постоянная

0

4  107 Гн/м

Постоянная Стефана-Больцмана

5,6710-8 Вт/м2К4.

Постоянная закона смещения Вина

b

2,9010-3 мК.

4. Масса, заряд и энергия покоя некоторых частиц

Частица

Масса, кг

Заряд, Кл

Энергия покоя, МэВ

Электрон

9,11  10-31

-1,60  10-19

0,511

Протон

1,67  10-27

1,60  10-19

938

  1. Таблица химических элементов, их символов и

атомных масс

Название и символ

Атомная масса

Название и символ

Атомная масса

1

Водород Н

1,008

39

Иттрий Y

88,906

2

Гелий Не

4,003

40

Цирконий Zr

91,220

3

Литий Li

6,941

41

Ниобий Nb

92,906

4

Бериллий Be

9,012

42

Молибден Мо

95,940

5

Бор В

10,811

43

Технеций Те

98,906

6

Углерод С

12,011

44

Рутений Ru

101,070

7

Азот N

14,007

45

Родий Rh

102,905

8

Кислород O

15,999

46

Палладий Pd

106,400

9

Фтор F

18,998

47

Серебро Ag

107,868

10

Неон Ne

20,179

48

Кадмий Cd

112,400

11

Натрий Na

22,990

49

Индий In

114,820

12

Магний Mg

24,305

50

Олово Sn

118,690

13

Алюминий Al

26,981

51

Сурьма Sb

121,750

14

Кремний Si

28,086

52

Теллур Те

127,600

15

Фосфор Р

30,974

53

Йод I

126,904

16

Сера S

32,060

54

Ксенон Хе

131,300

17

Хлор Сl

35,453

55

Цезий Cs

132,905

18

Аргон Аr

39,948

56

Барий Ва

137,330

19

Калий К

39,098

57

Лантан La

138,906

20

Кальций Са

40,080

72

Гафний Hf

178,490

21

Скандий Sc

44,956

73

Тантал Ta

180,948

22

Титан Ti

47,900

74

Вольфрам W

183,850

23

Ванадий V

50,942

75

Рений Re

186,207

24

Хром Сr

51,996

76

Осмий Os

190,220

25

Марганец Мn

54,938

77

Иридий Ir

192,200

26

Железо Fe

55,847

78

Платина Pt

195,090

27

Кобальт Со

58,933

79

Золото Au

196,967

28

Никель Ni

58,700

80

Ртуть Hg

200,590

29

Медь Сu

63,546

81

Таллий Tl

204,369

30

Цинк Zn

65,380

82

Свинец Pb

207,200

31

Галлий Ga

69,720

83

Висмут Bi

208,980

32

Германий Ge

72,590

84

Полоний Po

210,000

33

Мышьяк As

74,922

85

Астат At

210,000

34

Селен Se

78,960

86

Радон Rn

222,000

35

Бром Вr

79,904

87

Франций Fr

223,000

36

Криптон Кr

83,800

88

Радий Ra

226,025

37

Рубидий Rb

85,468

89

Актиний Ac

227.000

38

Стронций Sr

87,620

90

Торий Th

232,038

6.Массы атомов легких изотопов

Изотоп

Символ

Масса, а.е.м.

Изотоп

Символ

Масса, а.е.м.

Нейтрон

0n1

1,00867

Бериллий

4Be7

4Ве9

7,01693

9,01219

Водород

1H1

1H2

1H3

1,00783

2,01410

3,01605

Бор

5В10

5В11

10,01294

11,00930

Гелий

2He3

2He4

3,01603

4,00260

Углерод

6C12

6C13

6C14

12,00000

13,00335

14,00324

Литий

3Li6

3Li7

6,01513

7,01601

Азот

Кислород

7N14

8O16

8O17

14,00307

15,99491

16,99913

7. Относительные атомные массы некоторых элементов

Элемент

Химический символ

А

Азот

N

14

Аргон

Ar

40

Водород

H

1

Гелий

He

4

Кислород

O

16

Неон

Ne

20

Углерод

C

12

8. Масса и заряд некоторых частиц

Частица

Масса, кг

Заряд, Кл

 - частица

6,64  10-27

3,20  10-19

9. Периоды полураспада рдиоактивных изотопов

Изотоп

Символ

Период

полураспада

Изотоп

Символ

Период

полураспада

Актиний

89Ас225

10 сут

Радий

86Ra226

1620 лет

Йод

53I131

8 сут

Радон

86Rn222

3,8 сут

Кобальт

27Со60

5,3 г

Стронций

38Sr90

28 лет

Магний

12Mg27

10 мин

Фосфор

15P32

14,3 сут

Полоний

84Po210

138 сут

Церий

58Ce144

285 сут

10. Некоторые физические постоянные

(округленные значения)

Физическая постоянная

Обозначение

Значение

Масса Солнца

M

2 1030кг

Радиус Солнца

R

7 108м

Температура поверхности Солнца

Т

55000К

Расстояние от центра Солнца до центра Земли

R

1,49 1011м

Радиус Земли

R

6,37 106м

Постоянная Авогадро

NA

6,02.1023 моль-1

Универсальная газовая постоянная

R

8,31 Дж/(моль.К)

Постоянная Больцмана

к

1,38.1023 Дж/К

Элементарный заряд

е

1,6. 1019 Кл

Скорость света в вакууме

с

3,0 . 108 м/с

Электрическая постоянная

0

8,85  1012 Ф/м

Магнитная постоянная

0

4  107Гн/м

11. Периоды полураспада, вид распада и энергия

излучения основных радионуклидов аварийного чернобыльского выброса в 1986 г.

Радионуклид

и его символ

Период

полураспада

Вид распада, энергия излучения, МэВ, доля основных квантов, %

Криптон-85

36Kr85

10,71 год

β: 0,150; 0,672; γ: 0,51

Стронций-89

38Sr89

50,55 сут

β: 1,463

Стронций-90

38Sr90

28,6 года

β: 0,563

Цирконий-95

40Zr95

64,06 сут

β: 0,364 (54%), 0,396 (43%)

γ: 0,235, 0,722, 0,754

Молибден-99

42Mo99

66,02 ч

β: 1,23 (80%), 0,45 (20%)

γ: от 0,002 до 0,779

Рутений-103

44Ru103

39,35 сут

β: 0,128 (28%), 0,202 (70%)

γ: 0,498; 0,610

Рутений-106

44Ru106

368 сут

β: 0,0392

γ: 1,12; 1,05; 0,620; 0,51

Йод-131

53J131

8,04 сут

β: 0,608 (87,2%)

γ: 0,08; 0,163; 0,284; 0,637; 0,722

Теллур-132

52Te132

78,2 ч

β: 0,22; γ; 0,029

Ксенон-133

54Xe133

5,24 сут

β: 0,345; γ; 0,081

Цезий-134

55Cs134

2,06 года

β: 0,078 (25%), 0,657 (68%)

γ: от 0,561 до 1,361

Цезий-137

55Cs137

30,17 года

β: 0,51 (92%); γ; 0,661

Барий-140

56Ba140

12,8 сут

β: 1,0 (60%), 0,4 (40%);

γ: 0,03; 0,16; 0,31; 0,54

Церий-141

58Ge141

33,1 сут

β: 0,574 (25%);0,442(75%); γ: 0,145

Церий-144

58Ge144

290 сут

β: 0,30 (70%), 0,17 (30%)

γ: 0,034, 0,041, 0,081, 0,10, 0,134

Нептуний-239

93Np239

2,35 сут

β: 0,441 (31%), 0,379 (52%)

γ: 0,045, 0,058, 0,106, 0,227, 0,285

Плутоний-238

94Pu238

89,6 года

α: 5,495 (72%), 5,452 (28%)

γ: 0,045, 0,058, 0,106, 0,227, 0,285

Плутоний-239

94Pu239

2,44 104 лет

α:5,150 (69%), 5,137 (20%); γ: 0,051

Плутоний-240

94Pu240

6,58 года

α: 5,162 (76%), 5,118 (24%);γ; 0,044

Плутоний-241

94Pu241

13 лет

β: 0,021 (99%); γ; 0,10; 0,45

12. Периоды полураспада, вид распада и энергия

излучения основных радионуклидов,

индуцированных космическим излучением

Радионуклид и его символ

Период

полураспада

Вид распада

и энергия излучения, МэВ

Водород-3

1H3

12,26 лет

β: 0,01795

Бериллий-7

4Be7

53,01 сут

K-захват; 0,01795

Бериллий-14

4Be10

2,5 105лет

β: 0,555

Углерод-14

6C14

5700 лет

β: 0,155

Натрий-22

11Na22

2,6 года

β: 0,540(99,94%); γ; 1,28

Натрий-24

11Na24

15 ч

β: 1,39; γ; 4,14; 2,76; 1,38

Магний-28

12Mg28

21,2 ч

β: 0,459; γ; 0,032; 1,35

Алюминий-26

13Al26

6,7 с

β:3,20

Кремний-31

14Si31

2,6 ч

β:1,471

Кремний-32

14Si32

700 лет

β:0,21

Фосфор-32

15P32

14,3 сут

β: 1,712

Фосфор-33

15P33

24,4 сут

β:0,249

Сера-35

16S35

87 сут

β: 0,167

Сера-38

16S38

2,9 ч

β: 1,1

Хлор-34

17Cl34

32,0 мин

β: 2,48

Хлор-36

17Cl36

3,1 105лет

β: 0,714

Хлор-38

17Cl38

37,3 мин

β: 4,8(53%);1,1(31%)

γ: 1,6; 2,15

Хлор-39

17Cl39

35,3 мин

β: 1,65; γ; 1,35; 0,35

Аргон-39

18Ar39

265 лет

β: 0,565

Криптон-81

36Kr81

2,1 105 лет

K-захват;

13. Линейный (µ, см-1) коэффициент поглощения гамма-излучения для воздуха, воды, алюминия, железа и

свинца при различных значениях энергии фотонов

Энергия,

МэВ

воздух

вода

алюминий

железо

свинец

µ, 10-3

µ

µ

µ

µ

0,01

6,62

4,99

69,8

1330

1390

0,10

0,19

0,16

0,42

2,60

60,3

0,20

0,15

0,13

0,32

1,06

10,7

1,00

0,08

0,07

0,16

0,47

0,77

2,00

0,06

0,05

0,12

0,38

0,51

5,00

0,03

0,03

0,08

0,25

0,48

14. Биологические ТБ и эффективные ТЭФФ периоды

полувыведения радионуклидов цезия и стронция

из некоторых органов взрослого человека

Изотоп

Орган или ткань

ТБ, сут

Cs-134,

Cs-137

ТЭФФ, сут

Cs 134

Cs 137

Cs-134

Cs-137

Все тело

70

64

70

Мышечная ткань

140

118

138

Легкие

140

118

138

Почки

42

40

42

Селезенка

98

87

97

Печень

90

80

89

Кости

140

118

138

Sr-89

Sr-90

Sr-89 ,

Sr-90

Sr-89

Sr-90

Все тело

1,3 104

50,8

5700

кости

1,8 104

50,4

6400

15. Естественная удельная бета-активность

Некоторых пищевых продуктов, обусловленных

содержанием 19К40

Продукт

аУД, Бк/кг

Продукт

аУД, Бк/кг

Молоко коровье

44,4

Кукуруза

111,4

Мясо говяжье

84,0

Свекла сах.

96,2

Мясо свиное

33,3

Картофель

119,6

Мясо кролика

107,3

Капуста

135,4

Рыба

70,3

Пшеница (зерно)

124,3

Рожь (зерно)

156,1

Овес (зерно)

154,7

Горох

274,0

Морковь

85,0

Лук

44,4

Огурцы

100,0

Фасоль

328,6

Клюква

44,4

Икра

126,0

Масло сливочное

3,7

16. Масса m0 и энергия покоя W 0 некоторых частиц

Частица

m 0

m 0

W 0

W 0

кг

а.е.м.

Дж

МэВ

Электрон

9,1 10 -31

0,00055

8,16 10 14

0,511

Протон

1,672 10 27

1,00728

1,50 10 -10

938

Нейтрон

1,675 10 -27

1,00867

1,51 10 -10

939

α-частица

6,64 10 -27

4,00149

5,96 10 -10

3733

17. Период полураспадаТ1/2. Период биологического

выведения ТБ некоторых радионуклидов при воз-

действии их излучения на критический орган.

Радио-

нуклид

Критический

орган и его масса

Т1/2 , сут

ТБ , сут

19К40

Все тело, 70 кг

4,7·10 11

58

Мышечная ткань, 28 кг

58

27Co60

Все тело

1,9·10 3

9,5

Печень, 1,8 кг

9,5

38Sr90

Костная ткань,

7 кг

1,0·10 4

1,8·10 4

Все тело

1,8·10 4

39Y90

Костная ткань

2,67

1,8·10 4

Все тело

1,8·10 4

53J131

Все тело

8,04

138

Щитовидная железа20г

138

137Cs55

Все тело,

Мышечная ткань:

1,1·10 4

- Взрослый человек

70

- Подросток

45

- Новорожденный

10

79Au196

Все тело

2,7

120

94Pu239

Все тело,

Печень, почки

8,9·106

6,5·10 4

Костная ткань

7,3·10 4

92U238

Все тело,

Легкие, почки

1,6·1012

3300

Кости

300

18. Мощность эквивалентной дозы, используемая при проектировании защиты от внешнего ионизирующего излучения

Категории (А или Б)

облучаемых лиц

Назначение помещения

H,

мкЗв/ч

А, работа 36 часов в неделю,

50 недель в году

Постоянное пребывание персонала

пребывание персонала <18ч/неделя

14

28

Б, работа 41 часов в неделю,

50 недель в году

Любые помещения и территория

санитарно-защитной зоны

Любые помещения (в т.ч. жилые) и территория в зоне наблюдения

1,2

Б, работа 168 часов в неделю,

52 недели в году

0,3

19. Толщина защиты из бетона (∆, в см) при плотности

ρ = 2300 кг/м3 для различной кратности ослабления

γ – излучения. КО = f (Wγ, ∆)

Кратность

ослабления, КО

Энергия γ – излучения, МэВ

0,1

0,5

1,0

3,0

9,0

10

7.2

25.8

29.9.8

43.4

54.0

100

11.2

39.9

50.5

77.5

105.1

500

13.8

50.5

64.6

101.1

139.7

1000

15.3

55.2

70.4

110.9

155.0

10000

20.1

69.3

89.2

143.2

201.3

Например, если поток γ – квантов с энергией Wγ = 1 МэВ падает на бетонную пластину толщиной ∆ = 50,5 см, то энергия пучка, пройдя через плас- тину, уменьшится в 100 раз.

Использованная литература

  1. Физика: Учебно- методический комплекс./Авт. И сост.: О.Е.Чернуха. – Омск.: Типография «С-Принт», 2006, - 41 с.

  2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2001. 542 с.

  3. Спроул Р. Современная физика. М.: Наука, 1974. 592 с.

  4. Бордовский Г.А., Бурсиан Э. В. Общая физика. Т. 2. М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2001. 296 с.

  5. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М.: Высшая школа, 1988. 527 с.

  6. И. В. Савельев Курс общей физики в 5 кн. Кн. 5 Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц.- 4-е изд-е, перераб. М.: НАУКА. 1998.

  7. И. Е. Иродов Задачи по общей физике. Изд-е 3-е, перераб. М.: ВЛАДИС, 1977.

  8. И. В. Савельев Сборник вопросов и задач по общей физике. М.: НАУКА, 1982.

  9. И. Е. Иродов Задачи по квантовой физике. Изд-е -е, испр. М.: Лабор. Базовых Знаний, 2001.

  10. О. И. Горбунова, А. М. Зайцева, С. Н. Красников Задачник-практикум по общей физике. Оптика и атомная физика. М.: Просвещение, 1977.

Содержание

Методические указания к выполнению самостоятельной работы. 4

Требования к оформлению контрольных заданий и разъяснения по использованию таблиц. 4

1. Модели атомного ядра 10

2. Строение ядра 16

3. Спин ядра и его магнитный момент 21

4. Ядерные силы 22

5. Радиоактивность 25

6. Закон радиоактивного распада 28

7. Метод определения периода полураспада радиоактивного изотопа 29

8. Примеры решения задач 30

9. Активность радиоактивного препарата 33

10. Примеры решения задач 35

11. Радиоактивный распад 39

12. Примеры решения задач 41

13. 3акон ослабления пучка моноэнергетического γ – излучения или β – частиц 42

14. Энергия связи ядра. Дефект массы ядра 43

15. Примеры решения задач 45

16. Ядерные реакции 48

17. Примеры решения задач 50

18. Энергия ядерной реакции 52

19. Примеры решения задач 54

20. Реакция деления тяжелых ядер 58

21. Биологическое действие радиоактивных излучении 59

22. Доза излучения 60

23. Примеры решения задач 65

24. Элементарные частицы и современная физическая картина мира 67

25. Классификация элементарных частиц 68

26. Лептоны. Адроны. Кварки 69

28. Античастицы 71

29. Цепная реакция 72

30. Условия термоядерной реакции 75

31. Атомные электростанции 77

32. Методы регистрации заряженных частиц 80

33. Классификация счетчиков 81

34. Разрешающая способность. Мертвое время. Эффективность счетчика. 82

35. Кристаллические счетчики 84

36. Сцинтилляционные методы. 86

37. Счётчик Гейгера. 89

38. Камера Вильсона. 90

39. Пузырьковая камера 92

40. Примеры решения задач 93

41. Указания к решению задач 94

42. Задачи для контрольных и самостоятельных работ 97

Контрольные вопросы 132

Приложения 133

Использованная литература 148

Данилова О.Т.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Учебно – методическое пособие

В авторской редакции

Компьютерная верстка

Филимонова Т.А., Шабанова Т.И.

Формат 60×90/16.

Печать цифровая. Бумага офсетная.

Объем 8,9 п.л. Тираж 500

Омский институт (филиал) РГТЭУ

644009, Омск, ул. 10 лет Октября, 195, корп. 18



1

Смотреть полностью


Скачать документ

Похожие документы:

  1. Данилова релятивистской механики

    Методическое пособие
    ... к.т.н., Омского института (филиала) РГТЭУ Данилова, О.Т. Основы релятивистской механики: Учебно ... –методическое пособие. / О.Т. Данилова – Омск: Издатель ИП Погорелова Е.В., ... Закон Мозли Элементы физики атомногоядра и элементарных частиц Энергия ...
  2. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  3. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ (2)

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  4. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...
  5. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...

Другие похожие документы..