РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
10–14÷10–15 м (лінійні розміри атомів, приблизно
10 – 10 м).
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.
Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, і масу покою mр=1,672610–27кг 1836·me, де me — маса електрону.
Нейтрон (n) – це нейтральна частинка з масою покою – mn=1,674910–27кг ≈ 1839·me.
Протони і нейтрони называються нуклонами (від лат. nucleus — ядро).
Визначення 1.
Загальне число нуклонів в ядрі атома називається масовим числом – А
.
Атомне ядро характеризується також зарядом Z∙e, де Z – зарядове число ядра.
Визначення 2.
Зарядове число ядра – Z – це величина, що дорівнює числу протонів в ядріта співпадає з порядковим номером хімічної сполуки у Періодичній Системі Елементів Мендєлєєва.
У наш час звісні 107 елементів таблиці Мендєлєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.
Так як атом є нейтральним, то заряд ядра визначає число електронів в ньому. Від числа електронів також залежать хімічні властивості атома.
Визначення 3.
Ядра с однаковими Z, але різними А (тобто, з різними числами нейтронів N=A–Z) називаються ізотопами, а ядра с однаковими А, але різними Z – ізобарами.
Наприклад, водород (Z=1) має три изотопа: 
Н – протій (Z=1, N=0), 
Н – дейтерій (Z=1, N=1), 
Н — тритій (Z=1, N=2) тощо.
У найбільшій кількості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елементу володіють однаковими хімічними та приблизно однаковими фізичними властивостями (винятком є, наприклад, ізотоп водороду).
Прикладами ядер-ізобар можуть служити елементи – 
Ве, 
В, 
С.
У наш час звісно більш ніж
2500 ядер, що відрізняються чи Z, чи А, чи тим та другим.
Визначення 4.
Радіусом ядра називається величина, що задається емпіричною формулою:
,
де R0=(1,31,7)10–15 м.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
Проміж складовими ядра нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, що значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони мають назву ядерних сил.
Ядерні сили відносяться до класу, так званих, сильних взаємодій.
Перерахуємо основні властивості ядерних сил.
Ядерні сили є силами притягання.
Ядерні сили є короткодіючими силами. Їх дія проявляється тільки на відстанях приблизно
10–15 м. При збільшенні відстані між нуклонами ядерні сили швидко зменшуються до нуля, а при відстанях, менших їх радіусу дії, виявляються приблизно в
100 разів більше кулонівських сил, що діють між протонами на тій же відстані;
РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
10–14÷10–15 м (лінійні розміри атомів, приблизно
10 – 10 м).
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.
Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, і масу покою mр=1,672610–27кг 1836·me, де me — маса електрону.
Нейтрон (n) – це нейтральна частинка з масою покою – mn=1,674910–27кг ≈ 1839·me.
Протони і нейтрони называються нуклонами (від лат. nucleus — ядро).
Визначення 1.
Загальне число нуклонів в ядрі атома називається масовим числом – А
.
Атомне ядро характеризується також зарядом Z∙e, де Z – зарядове число ядра.
Визначення 2.
Зарядове число ядра – Z – це величина, що дорівнює числу протонів в ядріта співпадає з порядковим номером хімічної сполуки у Періодичній Системі Елементів Мендєлєєва.
У наш час звісні 107 елементів таблиці Мендєлєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.
Так як атом є нейтральним, то заряд ядра визначає число електронів в ньому. Від числа електронів також залежать хімічні властивості атома.
Визначення 3.
Ядра с однаковими Z, але різними А (тобто, з різними числами нейтронів N=A–Z) називаються ізотопами, а ядра с однаковими А, але різними Z – ізобарами.
Наприклад, водород (Z=1) має три изотопа: Н – протій (Z=1, N=0), Н – дейтерій (Z=1, N=1), Н — тритій (Z=1, N=2) тощо.
У найбільшій кількості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елементу володіють однаковими хімічними та приблизно однаковими фізичними властивостями (винятком є, наприклад, ізотоп водороду).
Прикладами ядер-ізобар можуть служити елементи – Ве, В, С.
У наш час звісно більш ніж
2500 ядер, що відрізняються чи Z, чи А, чи тим та другим.
Визначення 4.
Радіусом ядра називається величина, що задається емпіричною формулою:
,
де R0=(1,31,7)10–15 м.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
Проміж складовими ядра нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, що значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони мають назву ядерних сил.
Ядерні сили відносяться до класу, так званих, сильних взаємодій.
Перерахуємо основні властивості ядерних сил.
Ядерні сили є силами притягання.
Ядерні сили є короткодіючими силами. Їх дія проявляється тільки на відстанях приблизно
10–15 м. При збільшенні відстані між нуклонами ядерні сили швидко зменшуються до нуля, а при відстанях, менших їх радіусу дії, виявляються приблизно в
100 разів більше кулонівських сил, що діють між протонами на тій же відстані;
РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
10–14÷10–15 м (лінійні розміри атомів, приблизно
10 – 10 м).
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.
Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, і масу покою mр=1,672610–27кг 1836·me, де me — маса електрону.
Нейтрон (n) – це нейтральна частинка з масою покою – mn=1,674910–27кг ≈ 1839·me.
Протони і нейтрони называються нуклонами (від лат. nucleus — ядро).
Визначення 1.
Загальне число нуклонів в ядрі атома називається масовим числом – А
.
Атомне ядро характеризується також зарядом Z∙e, де Z – зарядове число ядра.
Визначення 2.
Зарядове число ядра – Z – це величина, що дорівнює числу протонів в ядріта співпадає з порядковим номером хімічної сполуки у Періодичній Системі Елементів Мендєлєєва.
У наш час звісні 107 елементів таблиці Мендєлєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.
Так як атом є нейтральним, то заряд ядра визначає число електронів в ньому. Від числа електронів також залежать хімічні властивості атома.
Визначення 3.
Ядра с однаковими Z, але різними А (тобто, з різними числами нейтронів N=A–Z) називаються ізотопами, а ядра с однаковими А, але різними Z – ізобарами.
Наприклад, водород (Z=1) має три изотопа: Н – протій (Z=1, N=0), Н – дейтерій (Z=1, N=1), Н — тритій (Z=1, N=2) тощо.
У найбільшій кількості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елементу володіють однаковими хімічними та приблизно однаковими фізичними властивостями (винятком є, наприклад, ізотоп водороду).
Прикладами ядер-ізобар можуть служити елементи – Ве, В, С.
У наш час звісно більш ніж
2500 ядер, що відрізняються чи Z, чи А, чи тим та другим.
Визначення 4.
Радіусом ядра називається величина, що задається емпіричною формулою:
,
де R0=(1,31,7)10–15 м.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
Проміж складовими ядра нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, що значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони мають назву ядерних сил.
Ядерні сили відносяться до класу, так званих, сильних взаємодій.
Перерахуємо основні властивості ядерних сил.
Ядерні сили є силами притягання.
Ядерні сили є короткодіючими силами. Їх дія проявляється тільки на відстанях приблизно
10–15 м. При збільшенні відстані між нуклонами ядерні сили швидко зменшуються до нуля, а при відстанях, менших їх радіусу дії, виявляються приблизно в
100 разів більше кулонівських сил, що діють між протонами на тій же відстані;
РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
10–14÷10–15 м (лінійні розміри атомів, приблизно
10 – 10 м).
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.
Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, і масу покою mр=1,672610–27кг 1836·me, де me — маса електрону.
Нейтрон (n) – це нейтральна частинка з масою покою – mn=1,674910–27кг ≈ 1839·me.
Протони і нейтрони называються нуклонами (від лат. nucleus — ядро).
Визначення 1.
Загальне число нуклонів в ядрі атома називається масовим числом – А
.
Атомне ядро характеризується також зарядом Z∙e, де Z – зарядове число ядра.
Визначення 2.
Зарядове число ядра – Z – це величина, що дорівнює числу протонів в ядріта співпадає з порядковим номером хімічної сполуки у Періодичній Системі Елементів Мендєлєєва.
У наш час звісні 107 елементів таблиці Мендєлєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.
Так як атом є нейтральним, то заряд ядра визначає число електронів в ньому. Від числа електронів також залежать хімічні властивості атома.
Визначення 3.
Ядра с однаковими Z, але різними А (тобто, з різними числами нейтронів N=A–Z) називаються ізотопами, а ядра с однаковими А, але різними Z – ізобарами.
Наприклад, водород (Z=1) має три изотопа: Н – протій (Z=1, N=0), Н – дейтерій (Z=1, N=1), Н — тритій (Z=1, N=2) тощо.
У найбільшій кількості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елементу володіють однаковими хімічними та приблизно однаковими фізичними властивостями (винятком є, наприклад, ізотоп водороду).
Прикладами ядер-ізобар можуть служити елементи – Ве, В, С.
У наш час звісно більш ніж
2500 ядер, що відрізняються чи Z, чи А, чи тим та другим.
Визначення 4.
Радіусом ядра називається величина, що задається емпіричною формулою:
,
де R0=(1,31,7)10–15 м.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
Проміж складовими ядра нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, що значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони мають назву ядерних сил.
Ядерні сили відносяться до класу, так званих, сильних взаємодій.
Перерахуємо основні властивості ядерних сил.
Ядерні сили є силами притягання.
Ядерні сили є короткодіючими силами. Їх дія проявляється тільки на відстанях приблизно
10–15 м. При збільшенні відстані між нуклонами ядерні сили швидко зменшуються до нуля, а при відстанях, менших їх радіусу дії, виявляються приблизно в
РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
10–14÷10–15 м (лінійні розміри атомів, приблизно
10 – 10 м).РОЗДІЛ 5. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Тема 1. Основи ядерної фізики і элементарних часток.
Лекція №15.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
2. Ядерні сили. Моделі ядра.
3. Радіоактивне випромінювання і його види.
4. Космічне випромінювання.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
1. Атомне ядро, основні характеристики.
Англійським вченим Е.Резерфордом було показано, що атому відповідає планетарна модель і, що ядра атомів мають розміри, приблизно
Атомне ядро складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів.
Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, і масу покою mр=1,672610–27кг 1836·me, де me — маса електрону.
Нейтрон (n) – це нейтральна частинка з масою покою – mn=1,674910–27кг ≈ 1839·me.
Протони і нейтрони называються нуклонами (від лат. nucleus — ядро).
Визначення 1.
Загальне число нуклонів в ядрі атома називається масовим числом – А
.
Атомне ядро характеризується також зарядом Z∙e, де Z – зарядове число ядра.
Визначення 2.
Зарядове число ядра – Z – це величина, що дорівнює числу протонів в ядріта співпадає з порядковим номером хімічної сполуки у Періодичній Системі Елементів Мендєлєєва.
У наш час звісні 107 елементів таблиці Мендєлєєва мають зарядові числа ядер від Z= 1 до Z= 107.
Так як атом є нейтральним, то заряд ядра визначає число електронів в ньому. Від числа електронів також залежать хімічні властивості атома.
Визначення 3.
Ядра с однаковими Z, але різними А (тобто, з різними числами нейтронів N=A–Z) називаються ізотопами, а ядра с однаковими А, але різними Z – ізобарами.
Наприклад, водород (Z=1) має три изотопа:
Н – протій (Z=1, N=0), Н – дейтерій (Z=1, N=1), Н — тритій (Z=1, N=2) тощо. У найбільшій кількості випадків ізотопи одного і того ж хімічного елементу володіють однаковими хімічними та приблизно однаковими фізичними властивостями (винятком є, наприклад, ізотоп водороду).
Прикладами ядер-ізобар можуть служити елементи –
Ве, В, С. У наш час звісно більш ніж
Ядерні сили є силами притягання.
Ядерні сили є короткодіючими силами. Їх дія проявляється тільки на відстанях приблизно
Ядерним силам властива зарядова незалежність (неелектрична природа), тобто, ядерні сили, що діють між двома протонами, або двома нейтронами, або, нарешті, між протоном і нейтроном, однакові за величиною.
Ядерним силам властиво, так зване, насичення, тобто, кожен нуклон в ядрі взаємодіє тільки з обмеженим числом найближчих до нього нуклонів.
Ядерні сили не є центральними, тобто, діючими по лінії, що з’єднує центри взаємодіючих нуклонів.
При аналізі процесів вдаються до використання наближених ядерних моделей, які допускають більш-менш просте математичне трактування.
З великого числа моделей, вкажемо дві з них: крапельну та оболочечну.
1. Крапельна модель ядра (1936: Н. Бор і Я. І. Френкель).
Крапельна модель ядра є першою моделлю. Вона заснована на аналогії між поведінкою нуклонів в ядрі і поведінкою молекул у краплі рідини. Крапельна модель ядра дозволила отримати напівемпіричну формулу для енергії зв'язку нуклонів в ядрі, пояснила механізм ядерних реакцій і особливо реакції поділу ядер. Однак ця модель не змогла, наприклад, пояснити підвищену стійкість деяких ядер, що містять визначені числа протонів і нейтронів.
2. Оболочечна модель ядра.
Оболочечна модель припускає розподіл нуклонів в ядрі по дискретним енергетичним рівням і пов'язує стійкість ядер із заповненням цих рівнів. Ця модель ядра дозволила пояснити спини і магнітні моменти ядер, різну стійкість атомних ядер і ін.
У міру подальшого накопичення експериментальних даних про властивості атомних ядер з'являлися все нові факти, що не укладаються в рамки описаних моделей. Так виникли, наприклад, узагальнена модель ядра (синтез краплинної і оболочечної моделей) і інші моделі.
3.Радиоактивне випромінювання і його види.
Французький фізики – подружжя Кюрі – Марія (1867-1934) і П'єр - виявили випромінювання, яке було названо радіоактивним випромінюванням, а саме явище випускання радіоактивного випромінювання – радіоактивністю.
В даний час під радіоактивністю розуміють здатність деяких атомних ядер мимовільно (спонтанно) перетворюватися в інші ядра з випусканням різних видів радіоактивних випромінювань і елементарних частинок.
Радіоактивність підрозділяється на природну (спостерігається у нестійких ізотопів, що є в природі) та штучну (спостерігається у ізотопів, отриманих за допомогою ядерних реакцій). Принципової різниці між цими двома типами радіоактивності немає, так як закони радіоактивного перетворення в обох випадках однакові.
Радіоактивне випромінювання буває трьох типів:
-, 
- і 
-випромінювання.1.
-Випромінювання відхиляється електричним і магнітним полями, володіє високою іонізуючої здатністю і малою проникаючою здатністю (наприклад, поглинається шаром алюмінію товщиною приблизно 0,05 мм). -Випромінювання представляє собою потік ядер гелію. За відхилення -частинок в електричному і магнітному полях був визначений їх питомий заряд, значення якого підтвердило правильність уявлень про їх природу.2.
-Випромінювання відхиляється електричним і магнітним полями; його іонізуюча здатність значно менша (приблизно на два порядки), а проникаюча здібність набагато більша (поглинається шаром алюмінію товщиною приблизно 2мм), ніж у -частинок. -Випромінювання представляє собою потік швидких електронів (це випливає з визначення їх питомого заряду!).3.
-Випромінювання не відхиляється електричним і магнітним полями, володіє відносно слабкою іонізуючої здатністю і дуже великою проникаючою здатністю (наприклад, проходить через шар свинцю товщиною 5см), при проходженні через кристали виявляє дифракцію. -Випромінювання представляє собою електромагнітне випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі 
<10 --10 м.4. Космическое излучение.
Розвиток фізики елементарних частинок тісно пов'язаний з вивченням космічного випромінювання, що приходить на Землю практично ізотропно з усіх напрямків космічного простору.
Розрізняють первинне і вторинне космічні випромінювання.
Визначення 1.
Випромінювання, що приходить безпосередньо з космосу, називають первинним космічним випромінюванням.
Дослідження його складу показало, що первинне випромінювання являє собою потік елементарних частинок високої енергії, причому більше 90% з них становлять протони, близько 7% - це
-частинки і лише невелика частка (близько 1%) припадає на ядра більш важких елементів (Z> 20).Первинне випромінювання спостерігається на висотах h > 50 км.
З наближенням до Землі з'являється вторинне космічне випромінювання.
Визначення 2.
Вторинним космічним випромінюванням називають випромінювання, яке утворюється в результаті взаємодії первинного космічного випромінювання з ядрами атомів земної атмосфери.
У вторинному космічному випромінюванні зустрічаються практично всі відомі елементарні частинки. При h <20 км все космічне випромінювання, практично, є вторинним.
У складі вторинного космічного випромінювання можна виділити два компоненти: м'який (сильно поглинається свинцем) і жорсткий (володіє в свинці великою проникною здатністю).
Дослідження космічного випромінювання дозволило на початковому етапі розвитку фізики елементарних частинок отримати основні експериментальні дані, на яких базувалася ця область науки. З початку 50-х років для дослідження елементарних частинок стали застосовувати прискорювачі (дозволяють прискорити частинки до сотень гігаелектрон-вольт), в зв'язку з чим космічне випромінювання втратило свою винятковість при їх вивченні, залишаючись лише основним «джерелом» частинок в області надвисоких енергій.
5. Елементарні частинки, типи взаємодій.
Елементарні частинки прийнято ділити на три групи:
1) фотони; ця група складається всього лише з однієї частинки - фотона - кванта електромагнітного випромінювання;
2) лептони (від грец. «Лептос» - легкий), які беруть участь тільки в електромагнітному і слабкому взаємодіях;
3) адрони (від грец. «Адрос» - великий, сильний), адрони мають сильну взаємодією поряд з електромагнітним і слабким взаємодіями.
Для всіх типів взаємодій елементарних частинок виконуються закони зберігання енергії, імпульсу, моменту імпульсу і електричного заряду.
В останні роки збільшення числа елементарних частинок відбувається за рахунок пошуку нових, більш фундаментальних частинок на базі адронів. Гіпотеза про існування таких частинок, названих «кварками», була висловлена в 1964 р.
Відповідно до сучасних уявлень, у природі здійснюється чотири типи фундаментальних взаємодій: сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна.
Сильна, або ядерна, взаємодія обумовлює зв'язок протонів і нейтронів в ядрах атомів і забезпечує виняткову міцність цих утворень.
Електромагнітна взаємодія характеризується як взаємодія, в основі якої лежить зв'язок з електромагнітним полем. Цей тип взаємодії є відповідальним за існування атомів і молекул. Вона обумовлює зв’язок позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів.
Слабка взаємодія – найбільш повільна з усіх взаємодій у нашому мікросвіті. Вона є відповідальною за взаємодію окремих груп частинок, що відбувається з участю нейтрино або антинейтрино.
Гравітаційна взаємодія притаманна всім без винятку частинкам, однак через малість мас елементарних частинок вона дуже мала і, мабуть, є несуттєвою в процесах мікросвіту.
Сильна взаємодія приблизно в 100 разів перевершує електромагнітне і в 1014 разів – слабке!
Чим сильніша взаємодія, тим з більшою інтенсивністю протікають процеси.
Як сильне, так і слабке взаємодії є короткодіючими. Радіус дії сильної взаємодії становить приблизно 10--15 м, слабкого – не перевищує 10--19 м. Радіус дії електромагнітної взаємодії практично не обмежений.