Ядерная физика

По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что в состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода), были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия — расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

Длинный трек имел такие же особенности, как и треки, наблюдавшиеся ранее Резерфордом при бомбардировке α-частицами атомов водорода. Из этого он сделал вывод, что в опытах с азотом образуются ядра водорода.

Резерфорд считал, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении α-частиц с азотом, являются не атомами азота, а, по всей вероятности, атомами водорода. Значит, атом азота распадается при столкновении с быстрой α-частицей и что освобождающийся водородный атом образует часть атома азота.

Так впервые была высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер других атомов, т. е. протон.

В 1932 г. Д. Д. Иваненко (1904–1994 гг.) опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра является также нейтрон.

В следующем, 1933 г. он обосновал протонно-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы — протоны и нейтроны.

При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы — нуклона.

Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α-частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т. е. нейтроном.

Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период полураспада его около 8 мин, и он превращается в протон, испуская -частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Иваненко стала общепризнанной.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами.

Как и естественно радиоактивные вещества, искусственные радиоактивные изотопы также испускают α- - и -излучения. Но кроме этих излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности — испускание положительных электронов — позитронов.

Примером образования позитронного радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия α-частицами. В данном случае ядро алюминия. A испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора. Этот изотоп, испуская позитрон, превращается.

В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы обычно получают путем облучения (главным образом нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерных реакторах.

После того как было установлено, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, теория атомного ядра получила дальнейшее развитие в направлении изучения вопросов взаимодействия частиц внутри ядра, а также структуры атомных ядер различных элементов.

Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер:

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл и массу покоя mр = 1,6726 · 10⁻²⁷кг.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немного больше массы протона: mн = 1,6746 · 10⁻²⁷ кг.

Зарядом ядра называется величина Ze, где e — величина заряда протона; Z — порядковый номер соответствующего ядру химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

В настоящее время известны ядра с зарядом Z от 1 до 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов (N) к числу протонов (Z) близко или равно единице, для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N : Z = 1,6.

Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковым числом протонов Z, но различным числом нейтронов N называются изотопами.

Ядра, которые при одинаковом числе А имеют различные числа Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом A X, где Х — символ химического элемента.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

Поэтому указанные в таблице Менделеева атомные массы элементов часто значительно отличаются от целых чисел.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R0 A¹/³, где R0 — расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, на котором велико сильное взаимодействие. Это соотношение показывает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем.

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μяд = e

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q.

Если плотность ядра считать везде одинаковой, то величина Q определяется только формой ядра.

Ядерные силы являются силами особого рода, связанными с существованием внутри ядра особого вида материи — ядерного поля.

В настоящее время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами.

Наличие таких обменных частиц в ядре — мезонов — вначале было предсказано теоретически японским ученым Х. Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

Нуклоны прочно связаны в ядре ядерными силами.

Для разрыва этой связи, т. е. для полного разобщения нуклонов, нужно совершить значительную работу. Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = mс2.

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи . С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы W должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на m, т. е. W = m с2, где с — скорость света в вакууме.

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона mр = 1,0073 а.е.м., масса нейтрона mн = 1,0087 а.е.м.

Следовательно, масса нуклонов, образующих ядро, равна 2 mр + 2 mн = 4,0320 а.е.м. Масса же ядра атома гелия mя = = 4,0016 а.е.м. Таким образом, дефект масс атомного ядра гелия равен m = 4,0320 – 4,0016 = 0,03 а.е.м., или m = 0,03 · 1,66 · 10⁻²⁷ 5 · 10⁻²⁹ кг. Тогда энергия связи ядра гелия равна W = mс2 = 5 · 10⁻²⁹ · 9 · 10¹⁶  28 МэВ.

Общая формула для расчета энергии связи любого ядра (Дж) будет иметь вид W = с2 ([Zmр + (А – Z) mн] – mя), где Z — атомный номер; А — массовое число.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. следовательно, удельная энергия связи характеризует устойчивость атомных ядер. Чем больше показатель , тем устойчивее ядро.

Всякая ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. При делении тяжелых ядер с массовыми числами А порядка 100 (и более) происходит выделение энергии (ядерной энергии).

Выделение ядерной энергии происходит и при ядерных реакциях иного типа — при объединении (синтезе) нескольких легких ядер в одно ядро.

Таким образом, выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер. Количество ядерной энергии , выделяемое каждым прореагировавшим ядром, равно разности между энергией связи  продукта реакции и энергией связи исходного ядерного материала.

Это положение является весьма важным, поскольку на нем основаны промышленные способы получения ядерной энергии. Отметим, что наиболее выгодной в отношении энергетического выхода является реакция синтеза ядер водорода  или дейтерия D (изотопа водорода 2 H ), поскольку в данном случае разность энергий связи синтезируемого ядра и исходных ядер будет наибольшей.