Тема 5,2 Атомная и ядерная физика
Атомное ядро.
Ядерные силы и их особенности.
Ядерные реакции.
Атом (от греческого atomos – неделимый) часть вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому химическому элементу соответствует определенный род атомов.
Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц с отрицательным зарядом, электронов. Электроны образуют электронные оболочки атома. Размеры атома в целом определяются размерами его электронных оболочек и велики по сравнению с размерами ядра.
Атомные ядра
По сравнению с размерами ядра размеры атома огромны, и поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объема атома фактически, является пустым пространством. В теории ядра используют, в основном, две модели ядра – модель жидкой капли и модель ядерных оболочек.
Атомная физика изучает электроны, группирующиеся в оболочках и подоболочках в атоме вокруг ядра. Энергия, связанная с удалением или присоединением электрона к атому, а также с переходами электронов на разные энергетические уровни, имеет порядок нескольких электронвольт. Например, для удаления электрона из атома водорода необходима энергия в 13,6 эВ.
Простейшим ядром является дейтрон: он состоит из одного протона и одного нейтрона, связанных друг с другом сильными ядерными силами притяжения. Чтобы разрушить ядро дейтрона, требуется энергия 2,24МэВ. В ядерных реакциях, например, в реакции деления урана-235, расщепляющегося на криптон-89 и барий-144, высвобождается энергия порядка 200МэВ на один атом урана.
Элементарные частицы, образующие ядра, т.е. протоны и нейтроны, называют также нуклонами. Тип атомного ядра обозначают символом
,где А = N+Z – массовое число, т.е. полное число протонов Z и нейтронов N в ядре; Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре.
Например, ядро хлора
имеет Z = 17 протонов, N = 18 нейтронов и А = 17+18 = 35 нуклонов.Изотопами называются ядра с одинаковым зарядовым числом и различными массовыми числами. Например, ядра
, 
, 
– изотопы кремния.Изобары – ядра с одинаковым массовым числом А и разными массовыми числами Z. Например, ядра
и 
являются изобарами.Изотопы водорода:
водород
;дейтерий
;тритий
.Ядерные силы
Согласно закону Кулона положительно заряженные протоны, находящиеся на очень близком расстоянии в атомном ядре, сильно отталкивают друг друга. Так что они должны были бы мгновенно разлететься. Поэтому нельзя объяснить стабильное существование атомного ядра, если не сделать допущения, что нуклоны в нем подвержены каким-то мощным силам притяжения. Эти силы считают проявлением так называемого сильного взаимодействия. Их изучал японский физик Хидеки Юкава. Юкава отметил следующие характерные особенности ядерных сил.
1. Они являются короткодействующими.
2. Обладают зарядовой независимостью.
3. Самые мощные из всех известных сил природы.
4. Имеют способность к насыщению.
Рассмотрим эти характерные особенности этих сил.
Короткодействующий характер. Эксперименты по рассеянию протонов на ядрах показывают, что ядерные силы имеют заметное значение только тогда, когда расстояние между двумя нуклонами оказывается порядка 10-15 м и меньше.
Зарядовая независимость. Эксперименты показывают, что силы ядерного взаимодействия двух нуклонов не зависят от их электрических зарядов. С большой степенью точности силы взаимодействия, между протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном, протоном и протоном, за вычетом кулоновских сил, оказываются одинаковыми.
Силы очень мощные. Силы, действующие между нуклонами, относятся к силам так называемого сильного взаимодействия, т.е. самым мощным силам в природе. Более слабые силы гравитационного и электромагнитного взаимодействий были обстоятельно изучены задолго до открытия ядерных сил, так как они проявляются на макроскопических масштабах, скажем, в виде гравитационных сил, действующих между планетами и Солнцем, или в виде сил электростатического взаимодействия между заряженными телами.
Эффект насыщения. Ядерные силы не являются единственными силами в природе, проявляющими эффект насыщения. Способность нуклона притягивать к себе другие нуклоны имеет «предел насыщения», когда нуклон оказывается полностью окруженным другими нуклонами. Нуклоны вне этого окружения «не чувствуют» сил притяжения такого (окруженного со всех сторон нуклонами) нуклона.
Некоторые свойства ядер
Полный электрический заряд ядра, состоящего из нейтронов и протонов, равен + Zе, где Z атомное число, т.е. число протонов в ядре. Очевидно, что масса ядра должна была бы быть равна сумме масс протонов и нейтронов, образующих ядро. Однако измерения показывают, что действительная масса ядра меньше этой суммы масс. Разность этих масс называют дефектом массы Δm.
Теоретически дефект массы определяется из закона сохранения энергии-массы:
.Когда Z протонов и N нейтронов образуют вместе стабильное ядро, некоторая масса Δm пропадает и вместо нее выделяется эквивалентная ей энергия, обычно в виде энергии γ-квантов.
Радиус ядра может быть выражен экспериментальной формулой
,где А – массовое число данного ядра и
= 1,2·10-15 м.Ядерные реакции
Ядерной реакцией называется изменение атомного ядра или его свойств.
П
ервую ядерную реакцию осуществил Эрнест Резерфорд в 1919 г. α-частицами с энергией 7,68 МэВ, испускаемыми ядрами Ро-214, Резерфорд бомбардировал ядра N-14 и получил ядра О-17 и протоны. 
.Эту реакцию можно отнести к типу ядерных реакций, символически записываемых уравнением
.в котором х соответствует α-частице
– бомбардирующей частице, называемой частицей-снарядом; Х – ядру 
, так называемому ядру-мишени; у – протону – получаемой частице; Y – ядру 
, или ядру-отдачи.Все ядерные реакции подчиняются следующим общим правилам.
1. Сохранение заряда. Электрический заряд сохраняется в ядерной реакции, т.е. сумма зарядов частиц и ядер, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов частиц и ядер, образующихся в реакции.
2. Сохранение полного числа нуклонов. Суммы массовых чисел частиц и ядер до реакции и после нее, должны равняться друг другу.
3. Сохранение массы-энергии. Для изолированной от внешних влияний системы, только полная масса-энергия остается постоянной.
4. Сохранение импульса.
5. Сохранение момента импульса.