Теория:
Изучение состава атомного ядра началось только в начале \(XX\) столетия после появления модели атома Бора. В \(1910\) году Резерфордом была создана модель ядра, которое мало по размерам (в сравнении с размером атома) и имеет положительный заряд. Последующее изучение состава ядра проводилось экспериментально с помощью бомбардировки ядра \(α\)-частицами. При бомбардировке из ядра вылетали частицы, входящие в его состав. Первой такой частицей, открытой Резерфордом в \(1919\) году был протон. Протон \(р\) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, \(e=1,6*10^{-19}\) Кл, масса покоя протона \(=1,6726231*10^{-27}\) кг \(= 1,007276470\) а.е.м.
В \(1932\) году английским физиком Джеймсом Чейдвигом была открыта нейтральная частица — нейтрон. Масса покоя свободного нейтрона \(1,6749286 *10^{-27}\) кг \(=1,008664902\) а.е.м., не обладает электрическим зарядом.
В том же году была выдвинута гипотеза о нуклонной модели строении ядра (модель Гейзенберга — Иваненко), согласно которой ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов частиц: протонов и нейтронов (рис. \(1\)).
Рис. \(1\)
Ядро атома характеризуется массовым и зарядовым числами.
Изотопы — атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число \(Z\)) и разное число \(N\) нейтронов.
Атомные ядра с одинаковым массовым числом, но с разными зарядовыми числами называются изобарами. Экспериментально установлено, что одному массовому числу обычно соответствует только один стабильный изобар. Остальные оказываются нестабильными и за довольно короткий промежуток времени либо делятся на две части, либо изменяют заряд на единицу посредством распада нейтрона на протон, электрон и другие частицы.
Зависимость числа нераспавшихся нестабильных ядер изначально была получена экспериментально:
\(N=N_0\cdot 2^{-\frac{t}{T}}\). (\(1\))
Формула (\(1\)) называется законом радиоактивного распада, где
Зависимость числа нераспавшихся нестабильных ядер изначально была получена экспериментально:
\(N=N_0\cdot 2^{-\frac{t}{T}}\). (\(1\))
Формула (\(1\)) называется законом радиоактивного распада, где
\(N_0\) — начальное количество нераспавшихся ядер в момент времени \(t=0\),
\(N\) — количество нераспавшихся ядер в момент времени \(t\),
\(T\) — период полураспада, время, за которое распадается приблизительно половина вещества.
В общем случае любую ядерную реакцию (процесс взаимодействия ядер, сопровождающийся изменением состава ядра) можно представить в виде:
\(A+a\; \rightarrow\; B+b\). (\(2\))
Важно отметить, что во всех реакциях выполняется закон сохранения заряда и массы. Рассмотрим виды ядерных реакций.
В общем случае любую ядерную реакцию (процесс взаимодействия ядер, сопровождающийся изменением состава ядра) можно представить в виде:
\(A+a\; \rightarrow\; B+b\). (\(2\))
Важно отметить, что во всех реакциях выполняется закон сохранения заряда и массы. Рассмотрим виды ядерных реакций.
Альфа-распад (\(\alpha\)-распад)
\(_{92}^{238}U\; \rightarrow\; _{90}^{234}Th+_{2}^{4}He\). (\(3\))
Иногда при альфа-распаде часть энергии не переходит в кинетическую, а идёт на возбуждение ядра-продукта, которое впоследствии излучает фотон.
Электронный бета-распад (\(\beta\)-распад)
Это спонтанное излучение электрона ядром вследствие превращения нейтрона в протон. В этой реакции по закону сохранения энергии должна рождаться ещё одна нейтральная безмассовая частица, которая была названа нейтрино:\(_0^{1}n \rightarrow _1^{1}p + e^{-} + _0^0\tilde{\nu}\), (\(4\))
где \(_0^0\tilde{\nu}\) — электронное антинейтрино.
В эксперименте появляется античастица нейтрино — антинейтрино. Однако из-за того, что бета-распад был обнаружен раньше, чем были обнаружены античастицы, обнаруженную частицу сначала назвали просто нейтрино.
Так, бета-распад калия можно записать:
\(_{19}^{40}K\;\rightarrow\; _{20}^{40}Ca + e^{-} + _0^{0}\tilde{\nu}\). (\(5\))
Как и альфа-распад, бета-распад может сопровождаться излучением фотона.
Позитронный бета-распад (позитронный \(\beta\)-распад)
При таком типе распада один из протонов ядра превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. В настоящее время известно три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, но при бета-распадах появляется именно электронное нейтрино или электронное антинейтрино:
\(_{1}^{1}p\;\rightarrow\; _0^{1}n+ e^{+} +_0^{0}\tilde{\nu}\). (\(6\))
\(_{1}^{1}p\;\rightarrow\; _0^{1}n+ e^{+} +_0^{0}\tilde{\nu}\). (\(6\))
Гамма-распад (\(\gamma\)-распад)
Гамма-излучение — электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядра из возбужденного в более низкие энергетические состояния.
Гамма-распад — это излучение гамма-квантов (\(γ\)) ядрами в возбуждённом состоянии, при котором они обладают большей по сравнению с невозбуждённым состоянием энергией. В возбуждённое состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбуждённых состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни — менее наносекунды.
Уравнение гамма-распада: .
Обрати внимание!
При гамма-распаде заряд и масса ядра не изменяются.
\(γ\)-излучение представляет собой один из видов, точнее диапазонов, электромагнитного излучения.
Пример:
\(2γ\)-кванта.
Пример:
\(γ\)-квант.