1. Основы ядерной физики

Напомним некоторые выводы из основ ядерной физики.

Атом – наименьшая часть химического элемента, являющегося носителем его свойств. Атомы существуют в свободном состоянии или в связанном, в виде молекул. Размер атома  около 10-10 м, масса 10-27 кг.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил модель строения атома. В основу его модели положена планетарная модель Э. Резерфорда.

Атом состоит:

-         из положительно заряженного ядра;

-         вокруг него движутся по строго определенным орбитам отрицательно заряженные электроны. Электроны удалены от ядра на 10-5 м.

Основная масса атома сосредоточена в ядре. На долю электронов приходится 0,05% массы атома.

Располагаясь на определенном расстоянии от ядра, электроны образуют электронные оболочки. На каждой оболочке «К» (номер оболочки) не может быть более 2К2 электронов. Каждая оболочка характеризуется своим энергетическим уровнем. Если электроны на своих орбитах – атом в устойчивом состоянии, в динамическом равновесии. К нему всегда стремится взаимодействие противодействующих сил в атоме, в ядре атома, во Вселенной.

Если орбитальный электрон получает дополнительную энергию извне, то он переходит на более удаленную орбиту и атом становится возбужденным. Стремясь к равновесию, электрон через некоторое время вернется на свою орбиту.  При этом будет выделена энергия в виде фотона, равная hn, где постоянная планка h = 6,6262 . 10-34 дж/сек., n - частота гамма-кванта.

Ядро имеет сложную структуру и до конца не изучено. Плотность ядерного вещества очень велика 1,8 . 1017 кг/м3. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии.

Для понимания радиоактивности достаточно рассмотреть только основные его части, силы и некоторые элементарные частицы.

Элементарные частицы – характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и другими величинами. Элементарные частицы объединяются в три группы:

-         фотоны – одна частица, фотон, переносчик электромагнитной энергии;

-          лептоны – электрон, мюон, таоон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Они являются фермионами. Спин им приписывается равным S;

-         адроны – основная часть элементарных частиц. К ним относятся каоны, пи-мезоны, нуклоны, гипероны, а также их античастицы.

Ведутся работы по поиску новых частиц, которые бы являлись основой для построения всех адронов. Существует гипотеза о существовании кварков, с помощью которых можно построить все существующие адроны.

Ядра состоят из нуклонов и других частиц.

Нуклоны (от латинского «ядро») – общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды - общее наименование атомных ядер, отличающихся числом протонов, нейтронов.

Изотопы – нуклиды с одинаковым числом протонов в ядре химического элемента и разным количеством нейтронов.

Протон (от греческого «protos» – ядро) – относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом и массой около 1836 mе (mе – масса электрона). Среднее значение жизни протона – более 1030 лет. Протоны вместе с нейтронами образуют ядра всех положительных элементов. При этом число протонов в ядре равно атомному номеру элемента и, следовательно, определяют место элемента в периодической системе Менделеева. При определенных условиях (слабое взаимодействие) протон при внутренних ядерных превращениях переходит в нейтрон через бета-распад ядер или в результате экстренного захвата с выбросом позитрона и нейтрино.

Позитрон – элементарная частица, равная массе е, но имеет заряд (+).

Нейтрон – электрически нейтрален, почти равен массе протона. Относится к классу адронов. Среднее время жизни в свободном состоянии (вне ядра) 15,3 минут. При слабом взаимодействии в ядре нейтрон может превратиться в протон через бета-распад с выбросом электрона и антинейтрино.

Прочность ядру придают нейтроны и пи-мезоны, как частицы ядерного клея. Если протон обладает стягивающими или отталкивающими свойствами, то нейтроны – только стягивающими свойствами. Внутри ядра протоны и нейтроны обмениваются друг с другом пи-мезонами (сгустком электромагнитной энергии из мезонного облака), что придает прочность ядру. Пи-мезон в 7 раз легче протона и в 270 раз тяжелее электрона.

Прочность ядра зависит от соотношения полей в ядре: электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого. Самое сильное – ядерное поле. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (» 1,5 . 10-13 м).

Когда количество электронов равно числу протонов атом относительно устойчив и электрически нейтрален.

Экспериментально доказано, что масса ядра меньше суммы масс входящих нуклонов. Это явление называют дефектом массы.

Масса атома, ядра и его составных частей измеряется в атомных единицах массы. 1 АЕМ = 1/12 массы атома углерода-12, что составляет 1,66 . 10-27 кг.

Согласно теории относительности Эйнштейна энергия частиц подчиняется закону Е = mс2, где m – масса частицы, с – скорость света. 

Из уравнения следует, что каждому изменению массы частицы должно отвечать соответствующее изменение энергии. Энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра. Чем сильнее нуклоны взаимодействуют между собой в ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения.

При обратном процессе, процессе образования ядра из свободных нуклонов, выделяется энергия. Прочность различных ядер неодинакова. Наиболее прочные - ядра с числом нуклонов около 60.