атомная физика что такое

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

2. Спин ядра. Магнитный момент ядра. Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и его применение (МРТ).

3. Ядерные силы, их свойства. Модели ядра.

4. Масса и энергия связи ядра. Удельная энергия связи.

Например, масса протона m_p = 1,00759 а.е.м., масса нейтрона m_n = 1,00898 а.е.м.

Состав и масса ядра. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (сов. ученый Д.Иваненко 1932г.). Эти частицы называются нуклонами. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами и движутся с нерелятивистскими скоростями.

660 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами электронов. Направление магнитного момента протона совпадает с направлением спина.

Нейтрон обозначаю n, n o или 1 ₀n, не имеет электрического заряда, масса близка к массе протона (на 0,14 % больше массы протона).

Спин нейтрона s=½. Магнитный момент нейтрона ϻ_n≈-1,91 ϻ_я. Знак «-» указывает на то, что магнитный момент имеет направление противоположное направлению спина. Заметим, что в свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается и превращается в протон, электрон и легкую частицу с нулевым зарядом – электронное антинейтрино ṽ_е.

Период полураспада нейтрона

Заряд ядра– величина ze, где е – заряд протона, z – число протонов в ядре, равное порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет число электронов в атоме (от числа электронов зависит их распределение в атоме по состояниям, от которого, в свою очередь зависят химические свойства атомов).

Массовое число – число нуклонов в ядре, А=z+N, где N-число нейтронов в ядре. Нуклонам приписывается А=1, а электрону А=0.

Символическое обозначение ядра химического ядра химического элемента Х: А _zХ

Изотопы – ядра с одинаковыми z, но разными А. Например 28 ₁₄S; 29 ₁₄S. Атомы изотопов обладают близкими физико-химическими свойствами за исключением трех изотопов водорода 1 _-1Н; 2 ₁Н; 3 ₁Н, ядра которых существенно отличаются. Соответствующие названия водород (протий), дейтерий и тритий, а ядра соответственно протон, дейтрон и тритон.

2*10 17 кг/см 3 (Сравните с плотностью воды 1*10 3 кг/м 3 и рассчитайте для интереса массу ядра величиной со спичечную головку (5 мм 3 ).

Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).Если на вещество, находящееся в сильном магнитном поле (до

10 Тл), подействовать слабым переменным радиочастотным магнитным полем, то при частотах, соответствующих частотам переходов между ядерными подуровнями, возникает резкий (резонансный) максимум поглощения электромагнитной энергии. То есть ЯМР обусловлен происходящими под влиянием переменного магнитного поля квантовыми переходами между ядерными энергетическими подуровнями. Явление используется в ЯМР-томографии. Название было заменено на МРТ (магнитно-резонансную) в связи с радиофобией после Чернобыльской аварии. За изобретение МРТ П.Мэнсфилд и П.Лотербур получили Нобелевскую премию по медицине (в действительности ЯМР-томографию изобрел В.А.Иванов (патент СССР, 1960 г)

3.Ядерные силы. Модели ядра.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными и представляют собой проявление сильного взаимодействия.

Свойства ядерных сил:1)Это короткодействующие силы. На расстояниях порядка

2).Зарядовая независимость. Притяжение n-n, p-p и n-p одинаково.

3)Не являются центральными. Не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нулонов.

4)Зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например р и n образуют дейтрон ( 2 ₁H) только при параллельной ориентации их спинов.

Модели ядра

1.Капельная, в которой трактуют ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной, подчиняющейся законам квантовой механики. Эта модель объяснила механизм ядерных реакций, особенно реакций деления ядер. Но она не смогла объяснить, в частности, повышенную устойчивость некоторых ядер.

2.Оболочечная модель. Нуклоны в ядре распределены по дискретным энергетическим уровням (оболочкам). Их заполнение происходит согласно принципу Паули, а устойчивость ядер связывается с заполнением уровней. Ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы. Такие ядра называются магическими. Такими являются ядра в которых число протонов, либо нейтронов (либо их сумма) равна 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (например, 4 ₂He, 16 ₈O, 40 ₂₀Ca, 208 ₈₂Pb).

Существует и обобщённая модель (синтез капельной и оболочечной).

4.Масса и энергия связи ядра.

По данным масс-спектрометрических измерений масса атомного ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Для полного разделении ядра на отдельные свободные нуклоны, необходимо произвести работу, которая определяет энергию связи ядра Е_св. Наоборот, при образовании ядра выделяется такая же энергия, например, в виде энергии электромагнитного излучения. Энергия связи является разностью между энергией нуклонов, связанных в ядре и их энергией в свободном состоянии.

Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся в среднем на 1 нуклон. То есть ∆Е_св=Е_св/A. Эта величина характеризует устойчивость ядра: чем больше ∆Е_св, тем ядро прочнее. Среднее значение ∆Е_св нуклона в ядре около 8МэВ (при А>20). Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами А в интервале 50-60 (элементы Cr до Zn). ∆Е_св при этом достигает 8,7 МэВ/нуклон. При увеличении А ∆Е_св уменьшается (например, для урана 238 ₉₂U ∆Е_св=7,6 МэВ/нуклон). Уменьшение объясняется тем, что с увеличением числа протонов в ядре увеличивается кулоновское отталкивание. На рис. представлена зависимость ∆Е_св (А).

Энергетически выгодно: а) деление тяжелых ядер на более легкие; б)слияние легких ядер в более тяжелые (термоядерный синтез).

При этих процессах выделяется большое количество энергии.

Примечание: для деления ядер нужна энергия активации, например нейтроном. Слиянию ядер препятствует кулоновское отталкивание, для его преодоления необходимо движение ядер с огромной скоростью, соответствующей температуре в несколько сот миллионов градусов.

Ядерные реакции – превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. Наиболее важные с практической точки зрения ядерные реакции под действием нейтронов. Например, реакция деления ядра урана 238 ₉₈U+ 1 ₀n→ 237 ₉₂U+2 1 ₀n, сопровождаемая выделением огромного количества энергии (

1МэВ на 1 нуклон). При этом каждый из нейтронов, возникающих в ходе реакции взаимодействует с соседними ядрами. Происходит лавинообразное нарастание числа актов деления – цепная реакция.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие частицы образуют ядро атома? Водорода? Гелия? Углерода?

2. Чем отличаются изотопы?

3. Охарактеризуйте кратко протон и нейтрон.

4. В чем состоит явление ядерного магнитного резонанса? Где оно используется?

5. Каковы свойства ядерных сил?

6. Какие модели ядра вы знаете? В чем их суть?

7. Что такое энергия связи ядра? Как ее можно рассчитать? Нарисуйте зависимость ∆Е_св (А).

9. Как можно использовать ядерную энергию? Приведите примеры.

Лекция 11

РАДИОАКТИВНОСТЬ

1. Радиоактивность, ее характеристики. Закон радиоактивного распада. Период полураспада и среднее время жизни ядра.

2. Виды радиоактивных процессов: α-распад, β-распад, К-распад, γ-излучение и сопровождающие процессы.

1.Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) распада ядер с превращением в другие ядра с испусканием частиц. Такие ядра называют радиоактивными (явление было открыто А.Беккерелем при изучении люминесценции солей урана. Ноб.премия 1903г. Совместно с П. и М.Кюри). Радиоактивный распад – статистическое явление и имеет вероятностный характер. Нельзя точно сказать когда ядро распадется, но можно предсказать вероятность распада за некоторый промежуток времени. Введем постоянную радиоактивного распада λ – вероятность распада ядра за единицу времени равна доле ядер распадающихся за 1 с. Таким образом из числа ядер N в среднем распадется λN ядер. Величину А=λN называется активностью нуклида. Это число распадов, происходящих с ядрами образца за 1 с (скорость распада). Единица активности в системе СИ-беккерель (Бк). 1Бк – активность нуклида, при которой за 1 с происходит 1 распад. Внесистемная единица – кюри. 1 Кu=3.7*10 10 Бк.

Также можно показать, что среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина обратная постоянной радиоактивного распада τ=1/λ, например у полония τ=200 суток, у урана 235 U τ=10 9 лет.

2.Виды радиоактивных процессов и их свойства.

а) α-распад ядер, сопровождающийся испусканием α-частицы. Заряд α-частицы +2е, масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 4 ₂Не, т.е. α-излучение – поток ядер гелия. Оно отклоняется электромагнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью (α-лучи поглощаются слоем алюминия толщиной 0,05 мм). α-распад протекает согласно правилу смещения А _zX→

10 18 м). Очень затруднительно удержание нейтрино в приборах.

в) γ-излучение ядер – коротковолновое электромагнитное излучение, сопровождающее α и β распады, а также возникающее при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц.

Оно не отклоняется электрическим и магнитными полями. Обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (используется в дефектоскопии- определению трещин, каверн в корпусах, рельсах, балках и т.п.). Обладает очень малой длиной волны

10 кэв(килоэлектронвольт) до

10 мэв (мегаэлектронвольт).

· Фотоэффект. Энергия γ-квантов 1,02 МэВ=2m_eoc 2 ) происходит в электрических полях ядер.

γ-излучение является своего рода эталоном. Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями с эффектами от γ-излучения (или рентгеновского). Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность в случае хронического облучения человека (в сравнительно малых дозах) выше, чем в случае γ-излучения (рентгеновского) при одинаково поглощённой дозе называется коэффициентом качества излучения (К). Для γ и рентгеновского излучений К=1. Эквивалентная доза определяется как произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения Н=D*К. Единица эквивалентной дозы в системе СИ Зиверт (Зв) 1 Зв=1 Дж/кг. (Заметим что существуют и другие единицы на которых мы останавливаться не будем: Грей, рад, бэр).

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое радиоактивность? Активность?

2. В чем состоит закон радиоактивного распада?

3. В чем смысл периода полураспада?

4. Что такое α-распад? β-распад? Электронный захват?

5. Какова природа γ-излучения ядер?

6. Какими процессами сопровождается прохождение γ-излучения сквозь вещества?

7. Что представляет собой доза излучения в 1 рентген? 1 Зиверт?

Источник

Атомная физика

Полезное

Смотреть что такое «Атомная физика» в других словарях:

Атомная физика — Атомная физика раздел физики, изучающий строение и состояния атомов. Возникла в конце XIX века. В 1911 году в результате экспериментов Резерфорда по рассеянию α частиц установлена структура атома, состоящего из электронов и ядра. Разделы… … Википедия

АТОМНАЯ ФИЗИКА — АТОМНАЯ физика, раздел физики, в котором изучаются состояния и строение атомов. Возникла в начале 20 в. после открытия радиоактивности (1896, А. Беккерель) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон), когда стало очевидно, что атом состоит из более мелких … Современная энциклопедия

Атомная физика — АТОМНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучаются состояния и строение атомов. Возникла в начале 20 в. после открытия радиоактивности (1896, А. Беккерель) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон), когда стало очевидно, что атом состоит из более мелких … Иллюстрированный энциклопедический словарь

АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в котором изучаются строение и состояния атомов. Возникла в нач. 20 в. До кон. 19 в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом система заряженных… … Большой Энциклопедический словарь

АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в к ром изучают строение и св ва атома и элем. процессы на ат. уровне. Для А. ф. наиб. характерны расстояния =10 8 см (т. е. порядка размеров атома) и энергии связи и элем. процессов порядка неск. эВ (для ядерной физики… … Физическая энциклопедия

АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел (см.), изучающий строение и состояния атомов … Большая политехническая энциклопедия

атомная физика — atomo fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. atom physics; atomic physics vok. Atomphysik, f rus. атомная физика, f; физика атома, f pranc. physique atomique, f … Fizikos terminų žodynas

атомная физика — раздел физики, в котором изучаются строение и состояния атомов. Возникла в начале XX в. До конца XIX в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом система заряженных… … Энциклопедический словарь

АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в к ром изучаются строение и состояния атомов. Возникла в нач. 20 в. До кон. 19 в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом система заряж. частиц. В… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Физика гиперядер — Физика гиперядер раздел физики на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы гипероны. Также… … Википедия

Источник

Ядерная физика

Я́дерная фи́зика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Содержание

Задачи, возникающие в ядерной физике, — это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но всё же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.

Общие сведения

Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но различными N называются изотопами, с одинаковыми A, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными Z — изотонами.

Основное отличие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 4,803·10 −10 ед. СГСЭ = 1,602·10 −19 Кл. Это элементарный заряд, по модулю равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, т. е. 1/2 (в единицах , постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.

Протон и нейтрон не являются фундаментальными частицами. Они состоят из двух типов кварков — d-кварка с зарядом —1/3 и u-кварка с зарядом +2/3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд +1), а нейтрон из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд — 0). Свободный нейтрон — частица нестабильная. Он распадается через 885 секунд после своего возникновения на протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона). В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещён законами сохранения.

Ядерная физика имеет принципиальное значение для многих разделов астрофизики (первичный нуклеосинтез, термоядерные реакции в звёздах как во время жизни на главной последовательности, так и при сходе с неё), и, очевидно, для ядерной и, в перспективе, термоядерной энергетики.

История

Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех типов лучей, названных, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов.

В последние годы вырисовывается шанс описать свойства по крайней мере лёгких ядер в строгой картине киральной квантовой теории поля.

Источник

Атомная физика, основные понятия и формулы

На стыке XIX и XX веков в науке произошли открытия, подорвавшие прежние представления о сложившейся картине окружающего мира. Атомная физика начала свое развитие в разрез представлениям классической механики.

Физики выделяют два больших класса ядер атомов: радиоактивный и стабильный. Стабильные ядра могут произвольно распадаться, превращаясь в ядра иных веществ. Подобные трансформации могут происходить со стабильными ядрами во время взаимодействия их один с другим, а также с различными микрочастицами.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

В физике атомов есть много разных определений, которые нужно знать каждому физику, разберем в этой статье некоторые из них.

Возбужденным состоянием атома является такое его состояние, когда они имеет большую энергию, чем в обычном процессе.

Квантованием называется такой процесс, при котором тщательно отбираются орбиты электронов, соответствующие каждому стационарному состоянию атома.

Нуклон является мельчайшей частицей, обладающей двумя главными зарядовыми состояниями протона и нейтрона.

Заряд ядра равен числу протонов в ядре, а также атомному номеру веществ периодической системы Менделеева.

Изотопами являются ядра, имеющие одинаковый заряд при различном массовом числе нуклонов.

Изобарами являются ядра, имеющие одинаковое массовое число нуклонов с различными зарядами.

Для определения атомной единицы массы используют разнообразные методы. Некоторые из них основаны на экспериментальном определении молекулярной массы определенного соединения элементов. В таком случае атомная масса будет равна доле всей молекулярной массы частицы, поделенной на число ее атомов в молекуле.

Дефект массы ядра

Точными измерениями плотностей и масс ядер доказано, что указанный коэффициент всегда будет меньше, чем суммарный итог масс нейтронов и протонов элементов в покое.

Во время систематического деления ядра сумма масс покоя образующихся свободных элементов всегда будет больше, чем масса исходного ядра. И соответственно, при синтезе ядра сумма масс покоя составляющих его частиц будет больше, чем масса получившегося ядра.

Таким образом, дефект массы ядра равен разности массы ядра и суммы масс всех составляющих его нуклонов.

Энергия фотона

Распространением света не стоит рассматривать как волновой процесс, это постоянный поток отдельных элементов в пространстве, которые движутся со скоростью света в вакууме. Этим элементам в 1026 году было присвоено название фотоны. Им присущи все характеристики частиц.

Эта частица не имеет массы, она полноценно существует, перемещаясь со скоростью света. Формула ее записи выглядит следующим образом:

Эта формула показывает, что положительная энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна ее длине. Плотность фотона определяется по формуле:

Импульс фотона определяется следующим образом:

Фототоком является процесс, что возникает в цепи, в которой с отрицательным полюсом соединена пластина в основном источнике, именуемом фотокатод. Фототок рождается тогда, когда освещаются свойства катода. Величина фототока насыщения будет всегда пропорциональна величине насыщенности света, который попадает на цинковую пластину.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Скорость радиоактивного распада

Скоростью радиоактивного распада является конкретное число распадов за определенный промежуток времени, формула расчета этой величины выглядит следующим образом:

Для лучшего понимания этого выражения его нужно продифференцировать, при этом мы получим зависимость количества атомов от времени, а именно:

Исходя из этого скорость постоянного радиоактивного распада за пишется так:

Сегодня базовыми разделами физики атомов являются физика ионных и атомных столкновений, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия, оптическая спектроскопия и собственно теория атома. Радиоспектроскопия рассматривает и исследует малые кванты, а мощные квантовые излучения атомов изучаются рентгеноскопией.

Изучают сверхтонкую структуру энергетических уровней, трансформации их сил при попадании в электромагнитное поле.

Естественно, что физика атомов тесно взаимодействует с другими, не менее важными, разделами физики и иными науками о природе. Четкая теория о строении атома дает масштабное значения для развития общего мировоззрения. «Стабильностью» атомов и других элементарных частиц объясняется устойчивость различных веществ и их целостность. «Пластичность» мельчайших частиц и периодические его трансформации под воздействием внешних факторов объясняют вероятность появление более сложных конфигураций, уникальных по-своему, со своеобразной способностью возникновения различных форм внутреннего строения.

Здесь имеет место противостояние идей о неизменности свойств атомов и качественными разнообразиями элементов, что зародилось давно и существует в данный момент, критикуя теорию атомного строения.

Источник