2.3.6 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 1 (Fizika.KTU.2009)

8/7/2019 2.3.6 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 1 (Fizika.KTU.2009)

1/22


2/22

Atomo branduolio nukleoninis modelis(protonai ir neutronai; j svarbiausios charakteristikos: mas, elektrinis krvis,sukinys, magnetinis momentas, stabilumas, j skaiius branduolyje).

Protonai ir neutronai yrasudtins branduolio dalels, jos

vadinamosnukleonais.Protonas yra vandenilio, kurio mass skaiius A=1, arba proio branduolys.

Tai stabili subatomin dalel. Ji turi elementarteigiam elektros krv e=1,6*10-19 C.

Protonorimties mas mp=1,672648*10-27kg. Lyginant su elektrono mp~1836me.Protono sukinio kvantinis skaiius s=1/2, todl jam taikomas Paulio principas.

Protono magnetinis momentasp=2,79N, dydisvadinamas branduoliniu magnetonu.

Protono savasis magnetinis momentas yra apie 660 kart maesnis u elektronoorbitin magnetin moment.

Protonas turi vidin infrastruktr, todl jis nra elementarioji dalel.

22710050824,52

mAm

e

pN

==


3/22

Atomo branduolio nukleoninis modelis(protonai ir neutronai; j svarbiausios charakteristikos: mas, elektrinis krvis,sukinys, magnetinis momentas, stabilumas, j skaiius branduolyje).

Neutronas yra elektrikai neutrali subatomin dalel,kurios rimties mas mn=1,674954*10-27kg.

Lyginant su elektrono mp~1838,5 me.

Neutrono, kaip ir protono sukinio kvantinis skaiius s=1/2.Nors elektrikai jis neutralus, jo savasis magnetinis momentasp=-1,91N.

Dl to, kad laisvojo neutrono rimties mas yra didesn u protono mas, neutronasyra nestabilus.

Neutronas gali virsti protonu, elektronu ir elektroniniu antineutrinu.

Neutronas, kaip ir protonas, turi infrastruktr, todl jis nra elementarioji dalel.


4/22

Branduolio mas, krvis .

Branduolio mas proporcinga nukleon skaiiui branduolyje.

Branduolio fizikoje daleli mas nusakoma unifikuotais atomins mass vienetais.

Tarptautinje kalboje jis vadinamasunit (ymimas simboliu u).

is vienetas lygus anglies izotopo12C mass 1 /12 daliai:

Neutrono mas mn=1.00876u, protono mp=1.00783u.

Branduolio mas, ireikta u vienetais, apytiksliai lygi jo mass skaiiui: mbr A.

Branduolio krvis lygus dydiui Ze ;

ia Z atomo eils numeris periodinje element lentelje.

Dydis Z karturodo proton skaii branduolyje.

Dalis branduoli gauta dirbtiniu bdu. iuo metu gauti branduoliai, kuri Z=109.


5/22

Branduolio spindulys

Tyrimai rodo, kad lengvj atom branduoliai yrarutulio formosir tik sunkiejibranduoliai nuo jo nedaug (apie 1%) nukrypsta.Eksperimentikai nustatyta, kadbranduolio spindulysR priklauso nuo mass

skaiiaus A itaip: ,ia:

Jei laikysime, kad vandenilio atomo branduolio spindulys,

o 5,31011 m vandenilio atomo spindulys,

Tai padidinus mastel ir jei laukytume, kad toks branduolys yra rieuto dydio,kurio spindulys yra 1 cm, tai elektronas tokiame atome skriet 353,33 m atstumunuo branduolio.


6/22

Branduolio tankis

Branduolio tankis , branduolio mas;

vidutin nukleono mas.

Matome, kadvis chemini element branduolio tankis yra vienodas.

Jo skaitin vert yra labai didel.

1 cm3 branduolins mediagos mas bt 10 11, t.y. 100 milijardu kg!


7/22

Branduolio sukinys

Branduoliui, panaiai kaip atomo elektroniniam apvalkalui, priskiriamas impulso

momentas. Jis vadinamasbranduolio sukiniuir lygus nukleon sukini ir orbitiniimpuls moment geometrinei sumai.

Jam nusakyti sudaromasvidinis kvantinis skaiius J.

Tuomet branduolio sukinys:

Dydis J yra sveikas skaiius (J=0,1,2,3,), jei mass skaiius A yra lyginis ir pusinis (J=1/2, 3/2, 5/2, ), jei A nelyginis.

Sumuojant nukleon momentus, daniausiai turime prieingos krypties vektorisudt, todl net daugianukleonini branduoli dydis J maas ir svyruoja tarp 0 ir 9/2.


8/22

Branduolini jg savybs

iuo metu skiriamos keturios fundamentalios (elementarios) sveikos: stiprioji,

elektromagnetin, silpnoji ir gravitacin.Stipriausia yrastiprioji sveika, elektromagnetin sveika yra ~102 kart silpnesn.

Stiprioji sveika jungia nukleonus branduolyje.Stipriosios sveikos jgos dar vadinamos branduolinmis jgomis.

Jos neleidia nukleonams isiskirti ir ilaiko branduol pusiausvyroje,nepaisant to, kadtarp branduolio proton veikia elektromagnetins stmos jgos (kadangi protonai yrato paties enklo-teigiamo krvio ir jie vienas kit stumia).

Branduolins jgos yra traukos.

Tiriant proton sklaid buvo nustatyta, kad branduolins jgos yra trumpasieks ir veikia tik tada, kai atstumai tarp nukleon yra labai mai (~1015 m).Didjant atstumui, i jg poveikis staigiai maja.

Bdingasis atstumas vadinamasbranduolini jg veikimosiekiu (spinduliu).


9/22

Branduolini jg savybs

Didjant atstumui r, jos staigiai silpnja (majimo dsnis eksponentinis):

Jei r


10/22

Branduolini jg aikinimas. Mezon hipotez ir j atradimas

Kvantin mechanika nukleon sveik aikina j tarpusavio kaita dalelmis.

iuo metu visos fundamentaliosios sveikos aikinamos kaita dalelmis skiriasi tikmainuose dalyvaujani daleli prigimtis.

1935 m. japon fizikas H.Jukava ikl hipotez, kad nukleonai branduolyje sveikaujakeisdamiesi ypatingomis dalelmis, kuri mas 200-300 kart didesn u elektronmas. Taigi branduolins jgos yra pakaitinio pobdio.

Jos yra lengvesns u nukleonus, todl buvo pavadintos mezonais arba pionais.

Pionai esti trij ri: teigiami +, neigiami ir neutrals 0.Elektringj pion krvis lygus elementariajam krviui (e arba e+).

Pionai sukinio neturi ir yra nestabils.

Pakaitine sveika taip pat aikinamas atomo elektron ryys su branduoliu. iuo atvejuelektronai ir branduoliai keiiasielektromagnetinio lauko kvantais, t.y. fotonais.

Nukleon sveika aikinama naudojant panai terminologij.Teigiama, kad nukleonai kuria ypating branduolin lauk, kurio kvantai ir yrapionai.


11/22

Branduolini jg aikinimas. Mezon hipotez ir j atradimas

Taigi branduolines jgas galima paaikinti dviej sveikaujani nukleon pasikeitimu

pion kvantais.Protonas ir neutronas keiiasi elektrintaisiais pionais + ir .

Vienvardiai (pp) ir (nn) nukleonai neutraliaisiais 0.

Sveikai susidaryti labai svarbu, kad apsikeitimas pionais vykt labai greit, t.y.branduolinio lauko kvantai turt bti virtuals.

Realius (ne virtualiuosius) pionus 1947 m. aptiko kosmini spinduli sudtyje.

Vliau pionus gavo bombarduojant taikin greitaisiais protonais (W~300 MeV) .

Stipriosios sveikos neiklio pioninis modelis gyvavo iki atuntojo XX amiausdeimtmeio.


12/22

Branduolio ryio energija. Savitoji ryio energija. Mass defektas.

Laisv nukleon bvis ir j bvis branduolyje i esms skiriasi.

Branduolio mas mb yra maesn u laisv nukleon masi sum, o masi skirtumasvadinamasmass defektu :

skirtum slygoja nukleon branduolyje stiprioji sveika.Apie sveikos dyd galima sprsti iryio energijos, kuri lygi darbui, kur reikia atliktisuskaldant branduol protonus ir neutronus.

Taigi, ryio energija yra laisv nukleon ir j branduolyje energij skirtumas.Pasinaudojant Einteino energijos W ir mass m tarpusavio ryio formule W=mc2,branduolio ryio energij W ireikiame itaip:

Skaiiavimuose patogiau naudoti ne branduolio mas mb, o atomo mas m a.Tada protono mas m p pakeiiama proio mase mH, o ryio energija uraome itaip:

Matuodami mas unifikuotais atominiais mass vienetais, o energij MeV vienetais,gauname toki branduolio ryio energijos iraik:


13/22

Branduolio ryio energija. Specifin ryio energija. Mass defektas.

Branduolio ryio energija, lyginant su elektrine

cheminio ryio energija, yra labai didel, todlbranduoli pakitimo metu gali atsipalaiduoti daugdaugiau energijos, negu chemini reakcij metu.

Ryio energija priklauso nuo nukleon skaiiaus branduolyje- nuo mass skaiiaus A.Branduoli stabilum (tvirtum) charakterizuojasavitoji ryio energija:, t.y. vienam nukleonui tenkanti ryio energija.


14/22

Branduolio ryio energija. Specifin ryio energija. Mass defektas.

DydioW priklausomyb nuo A turi du ypatumus.

1. Didiausia specifinio ryio energija branduoliuoseelement, esani periodins element sistemosviduryje (28 A 138), t.y. i branduolidydioW vert ~ 8,7 MeV/nukleonui, j nukleonai

suriti stipriausiai, o patys branduoliai stabiliausi.Kai A>100, W maja ir ji yra 7,5 MeV/nukleonui.

Branduoli, kuri mass skaiius A>20, vidutin savitoji ryio energija praktikainepriklauso nuo A ir yra ~ 8 MeV/nukleonui.

2. Majant nukleon skaiiui (A


15/22

Radioaktyvusis skilimas; jo dsnis (skilimo pusamis).

Radioaktyvumuvadina savaimin branduoli kitim (suirim, skilim), kurio metu jievirsta kit atom branduoliais.

Irimas nepriklauso nuo temperatros, slgio, cheminio junginio sudties ir yrabranduoli vidinis procesas.

Gamtoje sutinkama vairi element apie 300 radioaktyvi izotop.

J radioaktyvumas vadinamas gamtiniu.

J 1896 m. aptiko prancz fizikas A.Bekerelis, kuris pastebjo, kad urano druskaspinduliuoja kakoki spinduliuot.

1934 m. F. ir I.olio-Kiuri aptikodirbtin radioaktyvum buvo pastebtas B, Al, Mgirimas, bombarduojant juos branduoliais.

iuo metudirbtini radioaktyvi branduoli skaiius yra apie 2000.Radioaktyvusis irimas yra atsitiktinis procesas.

Pavyzdiui, vienas i branduoli gali suirti po1s, kitas po 100 met, treias pomilijardo met.


16/22

Radioaktyvusis skilimas; jo dsnis (skilimo pusamis).

Atomo branduoli skilimo spart nusako statistinis teigiamas dydis- skilimo konstanta.

Per nykstamaitrump laik dt, suskilusi branduoli skaiius dNproporcingas iam laiko tarpui ir bendramnesuirusi branduoli skaiiui N:

ia proporcingumo koeficientas vadinamasskilimo konstanta.

Ji parodo,kokia dalis atom branduoli suskylaper vienetin laik.

Pertvark lygt, j suintegrav ir atsivelg pradin slyg(jei t=0, tai N=N0), gauname radioaktyvaus skilimodsn:kuris aprao nesuirusi branduoli skaii.

Praktikoje irimo sparta apibdinama irimopusamiu.Pusamis T yra laiko tarpas, per kursuskylapus vis branduoli.

Dyd T randame i slygos: , o ilogaritmav:

Atvirkias skilimo konstantai dydis:

vadinamas radioaktyvaus branduolio vidutine gyvavimo trukme.


17/22

Radioaktyviojo skilimo dsningumai( , elektroninio ( -) bei pozitroninio ( +) skilimo dsningumai ir j aikinimas).

Sunkesni u vin (Z>83) element izotopai savaime spinduliuoja helio branduolius( daleles) . Tok skilim vadina skilimu.

Atsirads naujas antrinis elementas turs keturiais vienetais maesn mass skaii ir dviem vienetais maesn eils numer.

Paymj pirmin element simboliu X, o antrin Y , skilim apraome:

Pvz., radis, ispinduliavs energijos W dalel, virsta radonu:

Tyrimai parod, kad daleli energija (ji kinta nuo 4 iki 9 MeV ) yra diskreti.Tai reikia, kad ir branduolio energijos lygmenys yradiskrets.

Radioaktyviam irimui vykti btina slygayra itokia: antrinio branduolio ir dalelsryi energij suma turi bti didesn u pirminio branduolio ryio energij.

Apie branduol yra stiprus elektrinis laukas, kuris trukdo dalelei palikti branduol.Todl klasikins mechanikos poiriu per tok barjer dalel pereiti negali.D.Gamovas, ir savarankikai E.Kondonas, skilim paaikino k tik sukurtos kvantinsmechanikos metodais. Pagal juos skilimas yra tunelinio efekto pasekm.


18/22

Radioaktyviojo skilimo dsningumai( , elektroninio ( -) bei pozitroninio ( + ) skilimo dsningumai ir j aikinimas).

Gamtoje stebimi trys () skilimo atvejai.Vykstant () skilimo iems procesams antrinio branduolio mass skaiius nepakinta,o jo eils numeris pakinta vienetu (Z=1).1. skilimometu i branduolio ispinduliuojamas elektronas.

io spinduliavimo aikinimas ikl fizikams kelet problem.

Pirmoji elektron branduolyje nra.Antrojisiejama su elektron energija. Pasirod, kad ji yra itisin, nors ir pirmini, ir antrini branduoli energija yra kvantuota.Tai prietarauja energijos tverms dsniui. iuos tariamuosius prietaravimuspaaikino, remdamasis V. Paulio pasilyta hipoteze, kad gamtoje turi egzistuotilabai lengva, elektrikai neutrali elementarioji dalel neutrinas ir antineutrinas.Pagal i teorij, elektronus spinduliuoja neutronai ir kad kartu ispinduliuojama dar viena dalel elektroninis antineutrinas .

io irimo metu neutronas virsta protonu, o virsmo schema yra itokia:Pagal E.Ferm, elektrono ir antineutrino energij suma yra kvantuota, nors atskirdaleli energija gali bti vairi. i ivada jau neprietarauja ir elektron energijostolydiam kitimui, ir bendros energijos tverms dsniui.


19/22


Kartu buvo isprsta ir branduolio sukinio tverms dsnio problema.

Elektronui ilkus i branduolio, jo sukinys turt pakisti dydiu

Taiau branduolio sukinys priklauso nuo jo mass skaiiaus, kuris po irimonepasikeiia.

Kad pirminio branduolio sukinio tverms dsnis btnepaeistas, V.Pauli neutrinui

(antineutrinui) priskyr dydio sukin.

Tuomet pirminiobranduolio sukinys nepakis, jei ilekiani elektrono ir antineutrinosukiniai bus prieing krypi.

Aprayt virsm galima pavaizduoti itokia schema:

ia Y antrinio branduolio simbolis.

I schemos matome, kad Y elemento vieta vienu vienetupasislenka chemini elementlentels pabaigos link.


20/22


2. + skilimo atvejui branduolio ilekia pozitronas(elektrono antidalel).

Antrinio branduolio krvis dydiu e+ sumaja ir jo vieta pasislenka vienu vienetu lengvesni element pus, o jo mass skaiius nepakinta.

Pozitronai e+ atsiranda branduolio protonui virstant neutronu ir elektroniniu neutrinu


21/22

Radioaktyviojo skilimo dsningumai( , elektroninio ( -) bei pozitroninio ( +) skilimo dsningumai ir j aikinimas).

3. Vidini sluoksni elektronas (daniausiai i K sluoksnio) gali bti trauktas branduo itoks reikinys vadinamaselektrono pagavaarba K pagava.

Elektron pagauna branduolio protonas ir i jo susidaro neutronasir kartu ilekia elektroninis neutrinas :

vykus K pagavai, branduolio numeris Z vienetu sumaja ir tampa Z 1, o massskaiius nepakinta.

Pagavos reikin pirmas stebjo L.V.Alvarezas (1937 m.) vanadio (V) bandymuose,Kai po pagavos atsirasdavo titano branduolys:

Branduoliai po K pagavos daniausiai bna suadinti ir, ispinduliav fotonus, grta normal bv.

Po pagavos K sluoksnyje lieka laisva vieta, kuri uima i auktesni sluoksniperoks elektronas. Vyksta Rentgeno K serijos foton spinduliavimas.

Pagal spinduliavim ir sprendia apie vykusi K pagav.


22/22

Neutrino

1931m. V. Paulis pasil hipotez, kad gamtoje turi egzistuoti labai lengva, elektrikaineutrali elementarioji dalel neutrinas.Pagal V. Pauli neutrinas neturi krvio, mas taip pat lygi nuliui arba labai maa(dabar manoma, kad ji lygi me ~7*106 ; me elektrono mas).

Kadangi neutrinas dalyvauja gravitacinje ir silpnojoje sveikoje, juddamas aplinkojejis jos nejonizuoja irnepraranda energijos, todl yra labai skvarbus.

1 MeV energijos neutrinas vine nusklist ~ 100 viesmei nuotol.

V.Paulisman, kad neutrino (antineutrino) egzistavim negalima eksperimentikai rodyt

Taiau neutrino (antineutrino) egzistavim galima patvirtinti netiesioginiu bdu.

1936 m. A.Leipunskispatvirtino neutrino egzistavim pagalradioaktyvaus ,spinduliuojanio e+ daleles, atatrank.

1942 m. D.Alenastyr lengvesni branduoli atatrank, atsiradusi dl K pagavo1946 m. F. Reinsas ir K.L. Kauenas patvirtino neutrino egzistavim proton virsmoneutronu metu.

+++ enpe ~

Documents

2.3.6 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 1 (Fizika.KTU.2009)