Физика ядра и частиц Взаимодействие частиц с веществом
Электромагнитное взаимодействие Кварки Атомное ядро Магнитный дипольный момент ядра Законы радиоактивного распада ядер. Альфа-распад. Бета-распад Естественная радиоактивность

 

Курс лекций по ядерной физике, физика атомного ядра и частиц

Резерфорд открывает атомное ядро

Рис. 1. Рассеяние альфа-частицы в кулоновском поле ядра

s001_2.gif (2287 bytes)

Рис. 2 Зависимость отношения экспериментального сечения к сечению кулоновского (резерфордовского) рассеяния от угла рассеяния для упругого рассеяния альфа-частиц с энергией 22 МэВ на ядрах свинца

    Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. Дифференциальное сечение упругого рассеяния нерелятивистской заряженной частицы в кулоновском поле ядра-мишени описывается формулой Резерфорда

(1)

 

где Z1 и Z2 - заряды налетающей частицы и ядра-мишени, e - элементарный заряд, T - кинетическая энергия налетающей частицы, theta - угол рассеяния.
    Формула Резерфорда получена при следующих предположениях.

  1. Ядро и альфа-частица точечные (Rядра = 0, Rа = 0).
  2. Масса ядра mядра много больше массы налетающей альфа-частицы mа (mядра >> mа).
  3. Спин ядра и спин альфа-частицы равны 0 (sа = sядра= 0).
  4. Магнитные моменты ядра и альфа-частицы равны 0 (мюа = мюядра= 0).
  5. Механизм реакции - упругое рассеяние  на ядре.
  6. Потенциал рассеяния имеет вид Z1Z2e2/R.

Угловое распределение Image270.gif (850 bytes)-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см и расположенным вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы.
    Растояние наибольшего rmin сближения альфа-частицы с положительно заряженным ядром зависит от ее кинетической энергии T, заряда ядра Z и величины прицельноег параметра b.

,

(2)

 

Из соотрошения (2) следует, что с уменьшением прицельного параметра b, увеличивается угол рассеяния тета. Это происходит потому, что частица ближе подходит к рассеивающему центру и испытывает большее действие рассеивающего кулоновского потенциала   V~1/r.
    Из того факта, что упругое рассеяние альфа-частиц с энергией 5.5 МэВ хорошо описывалось формулой (1), следовало, что размер атомного ядра меньше 5·10-12 см.
    Уточнить размеры атомных ядер удалось увеличивая энергию альфа-частиц, что позволило уменьшить величину растояния наибольшего сближения альфа-частицы с ядром. На рис.2 показана зависимость отношения экспериментального сечения к сечению кулоновского рассеяния от угла рассеяния для упругого рассеяния альфа-частиц с энергией 22 МэВ на ядрах свинца. Отклонение экспериментального сечения при углах > 900 от формулы Резерфорда (1)  означает, что прицельный параметр b сравним с размерами ядра. С помощью формулы (2), подставив в нее тета = 900, можно получить оценку радиуса ядра свинца - (5-6)·10-13 см = 5-6 Фм. Формула (1) применима в случае, если расстояние наибольшего сближения между налетающей частицей и рассеивающим ядром превышает радиус ядра и, если можно пренебречь экранировкой ядра электронами.
     Наблюдаемое при тета > 900 падение дифференциального сечения по сравнению с предсказаниями формулы Резерфорда обусловлено тем, что при сближении налетающей альфа-частицы и ядра свинца до расстояния < 6 Фм в действие вступают силы отличные от кулоновских - ядерные силы.
    В 1913 году Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля. Таким образом устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусы которых rn определяются соотношением

rn = n2h2/Zmee,

что соответствует определенным энергетическим уровням атома

En = - Z2e4me/2n2h2.

Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии - фотон

h = Ei - Ek,

где Ei и Ek - энергии уровней, между которыми происходит переход.

Некоторые сведения из квантовой механики

Корпускулярные и волновые свойства частиц. Принцип неопределенности
Волновая функция
Уравнение Шредингера
Потенциальная яма
Операторы
Момент количества движения
Статистики. Принцип Паули
Состояния в классической и квантовой физике

Камера Вильсона - прибор, позволяющий регистрировать след (трек) частицы в веществе, действие которого основано на конденсации пересыщенного пара на ионах, которые создает вдоль свой траектории движущаяся заряженная частица. Цепочка капель, сконденсировавшихся на ионах вдоль траектории движения заряженной частицы, образует трек частицы. При освещении трек становится видимым на черном фоне и фотографируется.

Основные вопросы по курсу Физика ядра и частиц