лабы физика / Лабораторная работа № 94
.doc
Министерство образования и науки Республики Казахстан |
Карагандинский государственный технический университет |
Кафедра ФИЗИКИ
Методические указания к лабораторной работе № 94
«Изучение свойств атомных ядер и ядерных реакций»
Караганда 2004
Печатается по: Ясинский В. Б.
Лабораторный физический практикум: волновая и квантовая оптика, физика атома и ядра.
Учебное пособие.
Караганда: КарГТУ, 2002, 90с., ил. С.77-82
Лабораторная работа № 94
Изучение свойств атомных ядер и ядерных реакций
Введение
Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, называемых — нуклонами (от лат. nucleus – ядро). Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента, Z – атомный номер или зарядовое число (количество протонов в ядре), А – массовое число (число нуклонов в ядре). В этих обозначениях количество нейтронов определяется выражением: N = A – Z.
Ядра с одинаковыми Z, но разными A называются изотопами.
Изотопы имеют одинаковое количество протонов, но разное число нейтронов.
К изотопам относятся, например, разновидности урана (U92235 и U92238) или водорода:
-
H11 (протий — Z = 1, N = 0),
-
H12 (дейтерий — Z = 1, N = 1),
-
H13 (тритий — Z = 1, N = 2).
Некоторые из изотопов являются устойчивыми и существуют в природе. Другие — неустойчивы и могут быть получены только искусственным путем. Их количество постоянно пополняется. Так в Объединённом институте ядерных исследований (Россия, Дубна, 2001 год 1) был получен еще один изотоп сверхтяжёлого водорода — H15. У него еще нет своего специального названия и, в отличие от трех уже известных, он очень неустойчив, имеет малое время жизни и в естественных условиях в природе не встречается.
В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.
Ядра с одинаковыми A, но разными Z называются изобарами.
Изобары имеют одинаковое число нуклонов, но разное число нейтронов и протонов
Примером ядер–изобар могут служить ядра Be410, B510, C610 .
Радиоактивность
В настоящее время под радиоактивностью понимают
способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.
Радиоактивность, наблюдающуюся у существующих в природе неустойчивых изотопов, называют естественной, а радиоактивность изотопов, полученных посредством различных ядерных реакций — искусственной. Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью не существует, так как свойства изотопа не зависят от способа его образования, а радиоактивный изотоп, полученный искусственным путем, ничем не отличается от такого же природного изотопа. Однако некоторое различие в радиоактивных превращениях естественных и искусственных изотопов все же имеется.
Естественные радиоактивные изотопы, претерпевая распад, испускают только четыре вида радиоактивных частиц:
-
— частицы (ядра Не24);
-
— частицы (электроны);
-
— лучи (фотоны с очень короткими длинами волн);
-
— антинейтрино.
Распад естественных изотопов происходит очень медленно. Этим, собственно, и объясняется их наличие в природе.
Искусственные радиоактивные изотопы имеют чаще всего очень малый период полураспада и испускаемые ими частицы многообразнее. Помимо частиц, испускаемых естественными изотопами, наблюдаются: –частицы (позитроны), нейтрино, протоны, нейтроны и т.д.
Закон радиоактивного распада
Радиоактивность — это ядерный процесс, на него влияют внешние воздействия (высокие температуры, большие давления, сильные поля). Радиоактивность данного химического элемента не изменяется, если элемент вступает в какие-либо химические соединения. Установлено, что распад атомов радиоактивного изотопа подчиняется закону случайности: невозможно сказать, что произойдет именно с данным атомом — он может в равной мере и претерпеть распад и остаться нетронутым — независимо от того, сколько времени он существует. Можно только утверждать, что имеется некоторая вероятность распада каждого атома радиоизотопов за определенный промежуток времени.
Таким образом,
В единицу времени из наличного количества атомов всегда распадается определенная часть, которая обозначается через и называется постоянной распада данного радиоактивного элемента.
Если имеется N атомов, то, очевидно, что за 1 секунду из них распадается N атомов, а за время dt
dN = – Ndt . (1)
Знак “минус” указывает на тот факт, с течением времени число радиоактивных элементов убывает.
Разделив переменные и проинтегрировав уравнение (1)
(2)
получим
. (3)
Равенство (3) выражает закон радиоактивного распада неустойчивых изотопов.
В силу статистичности характера радиоактивного распада оно справедливо лишь для большого числа атомов. Примерная кривая распада, описываемого соотношением (3), представлена на рис.1.
Часто для характеристики радио–активного изотопа используется интервал времени Т1/2, в течение которого первоначальное количество атомов уменьшается в два раза. Он называется периодом полураспада.
Тогда из соотношения (3) при условии, что t = Т1/2, а имеем
(4)
или
. (5)
Отсюда следует, что чем больше период полураспада Т1/2, тем медленнее протекает процесс радиоактивных превращений ядер.
Используя соотношение (5), закон радиоактивного распада (3) можно представить в таком виде:
. (6)
Произведение N = A называется активностью и измеряется в Кюри. Закон радиоактивного распада в этом случае выглядит так:
.
Вследствие испускания материнским ядром (ядром радиоактивного изотопа) одной из указанных (или нескольких) выше частиц, последнее претерпевает изменения. В зависимости от массы и заряда испущенной частицы дочернее ядро (ядро, образовавшееся вследствие распада исходного) занимает в таблице Менделеева соответствующее место. Порядковый номер дочернего ядра в таблице элементов определяется правилами смещения, устанавливаемыми на основе законов сохранения массы, электрического заряда и энергии.
Правила смещения
Закон сохранения масс и энергии для ядерного распада можно записать в таком виде:
, (7)
где МЯ — масса ядра исходного атома; — масса дочернего ядра и частиц, возникающих при распаде; W — энергия, выделяющаяся при распаде; c — скорость света в вакууме.
На основе закона сохранения заряда (зарядового числа) и закона сохранения масс устанавливается правило смещения, которое можно представить в виде следующей схемы:
, (8)
где Х – символ исходного (материнского) ядра; У – символ дочернего ядра;
A – массовое число материнского ядра;
Ai – суммарное массовое число дочернего ядра и частиц; Ki – символы частиц, испускаемых материнским ядром; ZЯ – зарядовое число материнского ядра; Zi – суммарное зарядовое число испущенных частиц.
Конкретно для - и -распадов правила смещения выглядят следующим образом:
для – распада ,
для – распада ,
для – распада .
Здесь – ядро гелия (–частицы), – символическое обозначение электрона, то есть –частицы (заряд равен –1, массовое число А=0),
– символическое обозначение позитрона, то есть –частицы (заряд равен +1, массовое число А=0).
– нейтрино и аитинейтрино (заряда нет, масса покоя = 0, отличаются только ориентацией собственного магнитного момента, то есть спином).
Метод определения периода полураспада радиоактивного изотопа
Из соотношения (1) скорость радиоактивного распада запишется так:
. (9)
Подставив в (9) значение из (5) и N из (6), получим:
. (10)
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
(11)
скорость распада атомов изотопа в момент времени t1 (n1 – число атомов, распадающихся за единицу времени), а
(12)
в момент t2.
Разделим (11) на (12)
. (13)
После логарифмирования равенства (13) получим:
. (14)
Отсюда окончательно имеем
. (15)
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.
Контрольные вопросы
-
Что такое изотопы и изобары?
-
Какие виды радиоактивных излучений существуют в природе? Дайте характеристику каждому из них.
-
Как на практике можно различить искусственные и естественные изотопы?
-
Что называется периодом полураспада?
-
Запишите правила смещения для – и –распадов?
-
Выведите и сформулируйте закон радиоактивного распада.
-
Почему искусственные изотопы распадаются быстрее естественных?
-
Что называется активностью?
-
В чем заключается метод измерения периода полураспада?
1 Physical Review Letters, 27 August 2001