ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.10.2024
Просмотров: 65
Скачиваний: 0
12 |
|
Часть |
I. |
Описательная |
|
теория |
ядер |
|
|
|
|
||||||||
химического |
символа |
элемента, |
при |
этом |
Z |
иногда |
для |
||||||||||||
удобства |
записывают слева1 ). Например, Si2 8 , |
|
Si2 D |
и |
Si 3 0 |
||||||||||||||
являются |
стабильными |
изотопами |
Si. |
Кроме |
стабильных |
||||||||||||||
изотопов, |
большинство |
элементов |
имеет |
радиоактивные |
|||||||||||||||
изотопы. |
Например, Si имеет радиоактивные изотопы |
Si2 7 |
|||||||||||||||||
и Si3 1 . |
Из |
них |
Si 2 7 |
является |
р+ -активным |
|
(он |
имеет |
|||||||||||
слишком |
малую массу |
для |
своего заряда) |
и |
распадается |
||||||||||||||
с полуперподом |
4 |
сек |
на |
А12 7 |
и |
позитрон |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
S j " _ p * _ i - A l 2 7 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Изотоп |
Si 3 1 |
(имеющий |
слишком |
малый |
заряд |
|
для |
||||||||||||
своей |
массы) |
распадается |
с |
полупериодом |
170 мин |
на |
|||||||||||||
Р 3 1 и |
электрон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Si3 1 —*р~ + |
Р 3 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Изобары. |
При |
данном |
А |
ядра могут |
иметь |
|
различные |
||||||||||||
значения Z (изобары). Существует много стабильных изо |
|||||||||||||||||||
барных пар, например Sj|j и Аг^ |
или |
Ru™1 |
и PdJJ1, |
и не |
|||||||||||||||
сколько стабильных изобарных троек, например |
Zr'°, Mo™ |
||||||||||||||||||
и Ru^, |
а |
также большое |
число |
радиоактивных |
изобаров. |
||||||||||||||
Закономерности. |
При анализе таблицы стабильных ядер |
||||||||||||||||||
открывается |
несколько |
поразительных |
закономерностей. |
||||||||||||||||
Ядер с четным Z значительно больше, чем ядер с нечетным Z. |
|||||||||||||||||||
Ядер с четным А больше, чем ядер с нечетным А. Почти все
ядра с четным |
А |
имеют |
четное |
значение |
Z. |
Исключе |
|||||||
ниями являются Hi, Lig, В!0 |
и NJ4. (Имеются также |
ядра |
|||||||||||
KJJ и LUji\ |
но |
они |
не стабильны, а ^-активны |
с |
очень |
||||||||
большими периодами распада.) Если ядра с нечетными Z |
|||||||||||||
не могут |
иметь |
четных значений А, кроме перечисленных |
|||||||||||
исключений, то стабильные ядра с четными Z должны встре |
|||||||||||||
чаться |
чаще |
|
ядер |
с нечетными Z, потому что ядро |
|||||||||
с четным Z |
может |
иметь |
как |
|
четное, так и |
нечетное |
|||||||
значение |
А. Табл. |
1 |
иллюстрирует все эти три законо |
||||||||||
мерности. Очевидно, |
что |
для |
нечетного А нет |
преиму |
|||||||||
ществ между |
четным |
и нечетным |
Z. |
|
|
|
|
||||||
1 ) Такая запись атомного |
номера |
Z |
не является |
общепринятой. |
|||||||||
В отечественной научной |
литературе и, в частности, в |
переводе |
|||||||||||
настоящей |
книги |
используется |
запись |
атомного |
номера |
|
справа |
||||||
внизу от химического |
символа |
элемента. Поскольку |
атомный |
номер |
|||||||||
Z полностью определяется химическим символом элемента, его часто |
|||||||||||||
не пишут |
вообще.—Прим. ред. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
§ |
1. Основные сведения о ядрах |
13 |
||
|
|
|
Таблица |
1 |
Распределение изотопов |
некоторых |
элементов |
|
|
|
Число |
Число |
Число |
|
Z |
изотопов |
|
||
стабильных |
с нечетным |
изотопов |
|
|
|
изотопов |
А |
с четным |
А |
48 |
8 |
2 |
6 |
|
49 |
2 |
2 |
0 |
|
50 |
10 |
3 |
7 |
|
51 |
2 |
2 |
0 |
|
Энергия. При рассмотрении энергетических вопросов важнейшее значение имеет масса ядра М. Согласно соот ношению Эйнштейна, энергия, эквивалентная изменению массы Д/W, равна
|
|
|
Д£ = |
Шс2. |
|
|
Такие |
изменения |
в |
массе |
возникают, когда |
протоны и |
|
нейтроны переходят |
из |
одной конфигурации |
в другую, |
|||
при которой они связаны |
сильнее или слабее. |
|
||||
Современная масс-спектрографическая техника позво |
||||||
ляет |
определить |
массу |
М с точностью, превышающей |
|||
10"° (что как раз делает |
возможным определение умень |
|||||
шения атомного веса тяжелых атомов, вызванного связью электронов в поле ядра). Из этих данных вычисляются энергии связи ядер. Например, из шкалы атомных весов, основанной на О 1 6 ,
М ( 0 1 6 ) = 16,00000;
из данных о ядерных реакциях значения М (Н}) = 1,008142, М(п1) = 1,008982. Считая, что ядро О 1 0 состоит из 8 про
тонов |
и 8 нейтронов, находим, |
что энергия |
связи |
состав |
ляет |
8М ( Н ^ + в М (га)- 16,00000== 0,13699 |
атомных еди |
||
ниц массы (а. е. м). Следует отметить, что здесь |
исполь |
|||
зованы (и будут далее использованы в этой |
книге) |
значе |
||
ния масс нейтральных атомов |
О 1 0 и Н1 . |
Оправданием |
||
этому |
служит то, что масса 8 электронов атома О 1 8 |
сокра |
||
щается в расчетах с массой 8 электронов атомов водорода.
14 |
Часть |
I. |
Описательная |
теория |
ядер |
|
|
(Изменение массы |
8 |
электронов, |
вызванное их |
большой |
|||
связью |
с ядром О 1 0 , |
лежит |
вне экспериментальной точ |
||||
ности |
определения |
|
массы.) |
При |
рассмотрении |
энергии |
|
связи ядер иногда |
полезно ввести следующие величины: |
||||||
|
Дефект |
массы = Д = А — М (А); |
|
||||
|
Избыток массы = — Д; |
|
|
||||
|
Упаковочный |
коэффициент = f = |
|
|
|||
Рассмотрим ядерную реакцию: |
|
|
|
||||
|
Li7 3 |
+ Hl—>He;+Hei. |
|
|
|||
В ней сохраняются |
суммарное массовое |
число |
и заряд, |
||||
а также должна сохраняться энергия. Произведем следу ющий расчет:
Начальная масса |
|
|
|
|
M ( L i ' 3 ) = 7 |
а. е. м. |
+16,97 |
Мэв, |
|
М ( Н } ) = 1 |
а. е. м. |
-1-7,58 Мэв. |
||
Общая |
масса = 8 а. е. м. |
-|- 24,55 |
Мэв. |
|
Конечная |
масса |
|
|
|
2М(Не1) = 8 а. е. м. -\- 2 х 3,61 Мэв. Уменьшение массы = Выделенная энергия = 17,33 Мэв.
Мы использовали значения дефектов массы в энерге тических единицах, приведенные в Приложении. Из соотношения Е = Мсг получаем коэффициент перехода от массовых единиц к электрон-вольтам
10"3 а. е. л*. = 0,93114 Мэв.
Таким образом, уменьшение массы здесь составляет 0,01862 а. е. м. Если Li и Н имеют малые скорости, то а-частицы разлетаются в приблизительно противополож ных направлениях, причем каждая обладает кинетической энергией, равной 8,67 Мэв. Систематические исследова ния реакций, подобных этой, с большой точностью под твердили соотношение Эйнштейна для широкой области ядерных явлений. Они представляют собой одно из силь нейших доказательств справедливости специальной теории относительности. Было найдено, что в ядерных реакциях,
§ 1. Основные сведения о ядрах |
15 |
содержащих только тяжелые частицы, энергия строго сохраняется.
|
Устойчивость. |
Чтобы |
ядро |
было стабильным, его мас |
|||||||||||
са |
должна |
'быть |
меньше |
суммарной |
массы любой пары |
||||||||||
ядер,-на |
которые |
можно разделить это ядро. Например, |
|||||||||||||
ядро |
L i з стабильно относительно |
разделения |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
L i ^ H e J |
+ HJ, |
|
|
|
|
|||||
потому что М (Li7 ) = 7,01822, а М(Не4 |
2 ) + М(Н?) = 4,00387+ |
||||||||||||||
+ 3,01700= 7,02087. |
Ядро Не* нестабильно, потому что |
||||||||||||||
энергетически возможно |
следующее |
расщепление: |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Не5 —^ Не4 + п. |
|
|
|
|
||||||
Массу |
Не5 |
можно |
найти, |
изучая |
реакцию |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
L i 7 + H 3 - ^ H e 4 + He5 . |
|
|
|
||||||||
Зная |
массы |
M ( L i 7 ) , М (Н2 ) и М(Не 4 ) |
и измеряя |
кинети |
|||||||||||
ческую энергию и |
импульсы |
ядер |
L i 7 , Н'2 и Не'1, можно |
||||||||||||
определить массу Не5 . Она составляет |
5,0137 а. е. м. |
||||||||||||||
Это на 0,9-10"3 а. е. м. больше |
общей массы М(Не4 ) + |
||||||||||||||
~\-М(п). |
(Возможно, что измеренная масса Не5 относится |
||||||||||||||
не к основному состоянию, но во всех |
известных |
ядерных |
|||||||||||||
реакциях |
с тяжелыми |
частицами |
всегда, |
когда |
возникали |
||||||||||
ядра |
в возбужденном |
состоянии, |
образовывались |
такие |
|||||||||||
же |
ядра |
и в основном состоянии. Так как из эксперимен |
|||||||||||||
та получается лишь одно значение массы, |
то оно |
должно |
|||||||||||||
соответствовать основному |
состоянию.) |
Изотоп L i 5 неста |
|||||||||||||
билен |
по |
отношению |
к |
расщеплению |
L i 5 —> Не4 |
+ Н1 , а |
|||||||||
Be8 |
—по |
отношению |
к |
расщеплению |
Be8—> Не4 + Не4 . |
||||||||||
Это объясняет упоминавшийся выше факт отсутствия мас совых чисел 5 и 8.
Элементарные |
частицы в |
ядрах. Часто протоны |
и |
нейтроны называют |
нуклонами. |
Согласно имеющимся |
в |
настоящее время представлениям, ядро состоит из нукло нов: Z протонов и A — Z нейтронов. Эта концепция заме нила старую концепцию о том, что ядра построены из протонов и электронов. Для любого ядра, таким образом,
Энергия связи = {Z) М (Н\) + (A-Z)M{nl)-M {A, Z).
На фиг. 1 представлена зависимость энергии связи, отне сенной к одному нуклону, для всей области стабильных ядер.
1 — 1 — Г
9,0 r
*7,0
I |
|
|
|
|
|
8,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.Четные 2, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
a" |
5,0 |
|
|
|
|
|
четные A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CJ |
|
|
|
|
|
|
Нечетные Z, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0: |
4,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
нечетные A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
CM |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ 3,-0 |
•He' |
|
|
8.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
10 |
JL |
30 |
40 50 |
J_ |
70 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_L |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
60 |
80 90 100 110 120 130 140 150 WO ПО 180 190 200 210 220 230 240 250 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Массовое |
|
число |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ф и г . |
1. |
Зависимость |
энергии |
связи, |
отнесенной |
к одному |
нуклону, |
от |
массового |
числа. |
||||||||||||||
З н а ч е н и я д л я некоторых наиболее легких |
ядер даны |
в |
виде |
отдельных |
точек; сплошная |
кривая |
представ |
|||||||||||||||||
ляет |
з н а ч е н и я , |
у с р е д н е н н ы е |
д л я к а ж д о г о |
из |
з н а ч е н и й |
А |
по |
изобарам . |
Встречающиеся |
на |
этой у с р е д н е н |
|||||||||||||
ной |
кривой подъемы и впадины являются реальными |
(пунктирная |
часть |
кривой получена |
интерполяцией) . |
|||||||||||||||||||
Н а |
|
внутреннем |
графике представлены экспериментальные з н а ч е н и я |
д л я |
области |
А от 50 |
д о |
110 |
(масштаб |
|||||||||||||||
по |
оси |
ординат |
увеличен в 10 раз) . Кривые |
с о е д и н я ю т |
два |
класса |
ядер . |
Точками |
на |
внутреннем |
графике |
|||||||||||||
показаны з н а ч е н и я , |
в ы п а д а ю щ и е |
из |
о б щ и х |
кривых, |
а |
т а к ж е отмечено |
несколько ядер, |
о т л и ч а ю щ и х с я |
||||||||||||||||
по |
четности |
А |
и Z. |
Д е т а л ь н ы й |
х о д |
кривых |
д а ж е |
на |
|
в н у т р е н н е м |
г р а ф и к е не объясняется |
э к с п е р и м е н |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тальными |
о ш и б к а м и . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||