Фізика атомного ядра

- Ядерна модель атома, запропонована Е. Резерфордом, передбачає, що практично вся його маса зосереджена в ядрі. Однією з найпоширеніших є оболонкова протонно-нейтронна модель атома: атомне ядро складається з нуклонів – протонів і нейтронів, що розміщуються певними групами, утворюючи ядерні оболонки. Загальне число нуклонів дорівнює масовому числу А; число протонів дорівнює заряду ядра Z, число нейтронів N=A-Z. Ядерні оболонки заповнюються згідно з принципом Паулі: два тотожні наклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових величин.

- Нуклони в ядрі утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі , але дуже інтенсивні. Зв'язаний стан нуклонів в ядрі характеризується енергією зв'язку: .

- Ядра важких елементів, як правило, нестабільні. Тому вони є радіоактивними ізотопами і можуть самочинно перетворюватися в інші хімічні елементи завдяки випромінюванню мікрочастинок або шляхом поділу на більш стійкі утворення. Існує три види радіоактивного випромінювання: альфа-, бета- і гамма-промені. Вони утворюються внаслідок радіоактивних перетворень:

- альфа-розпаду, коли перетворення нестійкого ізотопу в інший хімічний елемент супроводжується випромінюванням альфа-частинки (;

- бета-розпаду – випромінювання ядром електрона чи позитрона, яке супроводжується утворенням нового хімічного елемента

- спонтанного поділу ядер, коли утворюється кілька більш легких ядер, наприклад, поділ Урану на ядро Барію і ядро Криптону .

- Характерною ознакою радіоактивних ізотопів є період піврозпаду Т – час, за який кількість ядер радіоактивного ізотопу зменшується вдвоє. Радіоактивний розпад відбувається за законом:

- Період піврозпаду Т характеризує активність радіонукліда А, тобто кількість розпадів атомних ядер за 1 с.

- Для характеристики впливу випромінювання на речовину використовують дозиметричні величини:

- поглинуту дозу випромінювання , тобто відношення енергії іонізуючого випромінювання до маси речовини;

- експозиційну дозу випромінювання, тобто його здатність іонізувати атоми і молекули речовини;

- потужність дози випромінювання тобто віднесення її до одиниці часу;

- біологічний еквівалент рентгена, який враховує вид іонізаційного випромінювання і його потужність у впливі на живі організми.

- Перетворення атомних ядер одних елементів в інші внаслідок зовнішнього впливу, наприклад, бомбардування ядер мікрочастинками, називається ядерною реакцією. Ядерні реакції характеризує енергетичний вихід – різниця енергій ядер і частинок до і після реакції. Енергетично вигідними вважаються ядерні реакції, в результаті яких енергія виділяється, наприклад реакція поділу Урану. Завдяки потоку вивільнених нейтронів вона може розвиватися як ланцюгова. Для цього необхідно підтримувати незмінним потік нейтронів і створити умови, щоб вони проникали до ядра Урану. Мінімальна маса, за якої ланцюгова реакція відбуватиметься самочинно, називається критичною масою. Ланцюгові реакції поділу Урану використовують в ядерній енергетиці.

- Дослідження різних мікрочастинок змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності – це не просто неподільні частинки, з яких складається матерія, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властива слабка взаємодія.

- Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки – вони підпорядковуються квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії. Загальними характеристиками елементарних частинок э їхня маса електричний заряд q, спін s, час життя , лептонний заряд L, баріонний заряд В тощо, виражених у відносних одиницях, кратних масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.

- Елементарні частинки можна класифікувати за різними ознаками. Наприклад, залежно від властивого їм типу взаємодій їх можна розділити на дві основні групи: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій – гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкий, та лептони, яким не властива сильна взаємодія. Зокрема, М. Гелл-Манном і Дж. Цвейгом запропонована кваркова модель будови адронів, згідно з якою вони складаються з комбінацій шести різних кварків.

- За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні ( > ), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні ( >10 ), які розпадаються завдяки сильній взаємодії.

- У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок, наприклад, їх поділ за знаком заряду на частинки й античастинки (електрон-позитрон, нейтрино-антинейтрино).