ВВЕДЕНИЕ В ЯДЕРНУЮ ФИЗИКУ

Строение вещества

Людвиг Больцман, австрийский физик (1844 – 1906), один из создателей современной кинетической теории вещества, заметил, что главная цель естественных наук – раскрыть единство сил природы.

Современная наука выявила это единство на достаточно глубоком уровне.

Современное представление о структуре мира формировалось и продолжает формироваться с созданием теории объединённых взаимодействий и параллельно с изменением представлений о фундаментальных частицах, составляющих вещество.

Дуализм «частица – вещество» - один из лейтмотивов физики, и в разные периоды на первый план выдвигалось либо одно, либо другое.

Так, Рене́ Декарт и Дж. К. Максвелл в основе построения Мира видели взаимодействие, а Исаак Ньютон и Хендрик Антон Лоренц – частицы, хотя последние и не проводили резкой грани между ними. И по мере открытия переносчиков взаимодействий эта грань между взаимодействиями и частицами постепенно исчезает.

Возможно, со временем понятия частиц и взаимодействий, как отдельных структурных образований реального мира, потеряют свой смысл и будут заменены другими новыми понятиями и структурно-функциональными единицами, порождающими в некотором приближении знакомые нам частицы и взаимодействия.

Исаак Ньютон представлял мир состоящим из частиц, между которыми действовали силы тяготения, а Пьер СимонЛаплас в своей «Системе мира» эту простоту и упорядоченность в таком представлении довёл до известного совершенства.

В представлении Дж. К. Максвелла мир намного сложнее. Было введено понятие хаоса (высшая форма организации материи, вещества, системы) и, главное, электромагнитного поля. Колоссальным явилось достижение Максвелла, объединившее в одной стройной системе электрическое и магнитное взаимодействия. Но это и привело его к большим затруднениям при попытке понять природу электрических зарядов. Его уравнения оказались совершенно симметричными, т.е. соразмерными, инвариантными (неизменными при тех или иных преобразованиях) относительно электрического и магнитного полей, но несимметричными относительно источников этих полей. Вот почему из-за отсутствия возможности проверить экспериментально, на опыте гипотезы о зарядах, т.е. источниках полей, Дж. Максвелл в этом направлении дальше не пошёл.

Хендрик Антон Лоренц создал классическую электронную теорию и разработал электродинамику движущихся сред и вплотную подошёл к созданию теории относительности, т.е. классической теории, рассматривающей пространственно-временные свойства физических процессов, созданной в 1905 году Альбертом Эйнштейном.

Применение теории относительности к атомам породило квантовую механику, а затем и квантовую электродинамику. В результате была создана квантовая теория поля.

После открытия в 1896 г. Анри Беккерелем радиоактивности и в 1897 г. Дж. Томпсоном электрона стало очевидно, что атом представляет систему заряженных частиц.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, а первую квантовую теорию атома на её основе в 1913 г. создал Нильс Бор.

Позднее на основе квантовой механики была построена последовательная квантовая теория атома. В 30-40 годы в неё вошли разделы, касающиеся структуры и свойств ядра.

Согласно установившимся представлениям вещество состоит из атомов и молекул, состоящих из соединений атомов.

Только инертные газы существуют в виде атомов, все остальные вещества - в виде молекул.

Существует несколько теорий строения вещества и атомов. Наиболее признанная планетарная модель Э. Резерфорда (1911 г.), развитая Н. Бором (1913 г.). Согласно этой модели в центре атома находится ядро с положительным зарядом, а вокруг него электронные оболочки, на которых по эллиптическим орбитам перемещаются электроны, заряженные отрицательно.

Число электронных оболочек может достигать 7 и соответственно изнутри кнаружи обозначаются: K, L, M, N, O, P, Q.

Количество электронов соответствует количеству положительно заряженных протонов ядер атомов и распределяется по оболочкам согласно формуле N = 2n² следующим образом: К - 1 электрон у водорода и 2 у остальных атомов, L – от 1 до 8 электронов, M – от 1 до 18 электронов, N – от 1 до 32 электронов, O – от 1 до 32 электронов, P – от 1 до 8-11 электронов, Q – 1 электрон у франция и по 2 электрона у всех остальных атомов.

Электрон несёт один элементарный отрицательный заряд электричества, встречающийся в природе и принят в ядерной физике за 1 единицу для измерения величины электрических зарядов.

Энергетический эквивалент электрона составляет 0,511 МэВ, а масса покоя (скорость равна нулю) равна безразмерной величине 0,000548 атомной единицы массы (а.е.м.).

За 1 а.е.м. условно принята 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С, равная 1,6605655·10^{-27 кг. Энергия 1 а.е.м. равна 931 Мэв.}

За 1 эВ принята кинетическая энергия движения одного электрона, проходящего электрическое поле от катода к аноду при разности потенциалов в 1 вольт.

Каждый электрон имеет собственный момент вращения - спин, т.е. собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого. Единица измерения спина: ђ - постоянная Планка (целые: 0, 1, 2, ... и полуцелые: 1/2, 3/2, 5/2, ...).

На электроны действуют центростремительные кулоновские силы и центробежные силы инерции, а также отталкивающие силы одноимённо заряженных электронов.

Энергетическая связь электронов с ядром в зависимости от электрического слоя не одинакова и наибольшая с K-слоем. С увеличением атомного номера элемента она возрастает.

Следовательно, электроны внешних орбит менее прочно удерживаются и на свой отрыв от атома требуют меньше энергии.

На внешних орбитах она не превышает 1-2 эВ, а в K-слое во много раз больше: углерод - 280 эВ, стронций-90 - 16 кэВ, цеззий-137 – 36 кэВ, уран-235 - 280 кэВ.

Согласно протонно-нейтронной теории строения ядра атома, впервые сформулированной в 1932 г. Д.Д. Иваненко и Е.Г. Гапоном, а затем развитой В. Гейзенбергом, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.

Протон (р) - элементарная частица, масса которой в 1840 раз больше массы электрона и равна 1,00758 а.е.м., имеет один элементарный положительный заряд.

Количество протонов в ядре определяет физические свойства элемента, соответствует порядковому номеру его в таблице Д.И. Менделеева и называется атомным номером или зарядовым числом (Z).

Нейтрон (n) – электрически нейтральная частица с массой, равной 1,00898 а.е.м., то есть больше массы протона на величину массы одного электрона.

Нейтрон не стабилен с периодом полураспада 12,8 минуты и распадается на протон, электрон и нейтрино:

n → p + ē + .

Протон и нейтрон в ядре с частотой 10²³ с^-1 обмениваются π-мезонами и превращаются один в другой:

p → π⁺ + n; p ← π⁺ + n; p → π^- + n; p ← π^- + n;

Отсюда, протоны и нейтроны были названы нуклонами (от греческого нуклеус - ядро), как проявление двух состояний одной частицы.

Сумма протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом (А):

А = N + Z.

Следовательно, N = A – Z.

При обозначении атомов применяется символика: , где - символ элемента.

Примеры:

, т.е. ядро углерода содержит 12 нуклонов и из них 6 протонов.

, т.е. ядро натрия содержит 23 нуклона и из них 11 протонов.

В зависимости от набора протонов, нейтронов и энерговооружённости атомы обладают разными физическими характеристиками.

Изотопы - атомы с одинаковым количеством протонов, но различные по числу нейтронов. Их спектры и химические свойства весьма близкие.

Большинство (71 из 90) природных элементов представляют собой смесь из 2-10 изотопов.

Изомеры - атомы с одинаковым массовым числом, ядра их находятся в различном энергетическом состоянии.

Изомеры с избытком энергии находятся в метастабильном состоянии и обозначаются буквой "m".

Например: .

Они обладают разным периодом полураспада, энергией и видом излучения. Переход в стабильное состояние происходит за счёт γ-излучения или внутренней конверсии, т.е. передачи энергии ближайшим электронам K- или L-слоёв. В результате происходит вылет одного из них за пределы атома, сопровождающийся рентгеновским или оптическим излучением.

Изобары - атомные ядра разных химических элементов с одинаковым массовым числом:

- аргон, - калий, - кальций.

Изотоны - атомные ядра разных химических элементов с одинаковым числом нейтронов:

- углерод, - азот, т.е. они имеют по 7 нейтронов.

Ядра атомов, состоящие только из протонов - очень прочные образования с большими силами сцепления между нуклонами. Большинство же ядер атомов состоит из протонов и нейтронов. Считают, что ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и пионами (пи-мезонами) - квантами ядерного поля, действующими на очень коротких расстояниях.

Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует с только ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении в ядре числа нуклонов ядерные силы сцепления значительно ослабевают. Соответственно ядра тяжёлых элементов менее устойчивы.

На преодоление силы, удерживающей нуклоны в ядре, которая называется энергией связи ядра, затрачивается сила на разрушение ядра, которая характеризуется частью количества массы ядра.

Пример расчёта массы ядра:

Для массы ядра гелия она равна:

m = 1,0076 · 2 + 1,0083 · 2 = 4,033 а.е.м.,

а на самом деле она меньше расчётной - 4,030 а.е.м., т.е. своих составляющих, взятых отдельно. Вот эта разница в 0,003 а.е.м. и получила название дефект массы (Δm), который показывает прочность связей нуклонов в ядре и сколько выделилось энергии при синтезе ядра.

Расчёт взаимосвязи между массой и энергией проводится по формуле А.Эйнштейна:

Е = mc²,

т.е. масса и энергия - формы одного явления.

Энергия связи ядра очень велика и соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов: дейтерий - 2,2 МэВ, гелий - 28 МэВ, азот - - 104,56 МэВ, уран - 1800 МэВ.

В среднем энергия связи на один нуклон примерно составляет 8 МэВ. Для сравнения химическая энергия связи атомов в молекулах в расчёте на один атом равна 2-5 эВ, т.е. в 4-1,6 миллиона раз меньше.

Таким образом, при синтезе или делении ядер атомов и выделяется такое громадное количество энергии.

В последние годы получили своё появление и развитие весьма смелые идеи в теории элементарных частиц, приближающие нас к созданию обобщённой теории, объясняющей построение мира.

По современным представлениям вещество Вселенной состоит из фотонов, лептонов и кварков, а структурно-функциональная организация любой материальной системы определяется их взаимодействиями.

В настоящее время известно более 2000 различных частиц, обнаруженных физиками.

Различают следующие взаимодействия: электромагнитные, сильные, слабые и гравитационные.

Электромагнитные взаимодействия. В них участвуют частицы, имеющие электрический заряд или магнитный момент. Переносчиком его являются фотоны. По силе электромагнитные взаимодействия располагаются между сильными и слабыми и являются дальнодействующими. К ним относятся: упругость, трение, вязкость, химические связи и т.п.

Сильные взаимодействия. Это переносчики ядерных сил. Они связывают кварки в барионы и в мезоны.

Слабые взаимодействия. В них участвуют все элементарные частицы за исключением фотонов. Они неизмеримо сильнее гравитационных. Радиус их действия – 2∙10^{-16 см. Обусловливают большинство распадов элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом.}

Гравитационные взаимодействия. Самые слабые, присущие всем видам материи, т.е. универсальные.

Все эти взаимодействия описываются единой теорией, глубоко обобщающей теорию Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879) – математическую теорию электромагнетизма.

Однако, несмотря на значительные усилия многих теоретиков, общая единая теория всех взаимодействий пока ещё окончательно не создана.

Радиоактивность

Радиоактивность была открыта в 1896 г. А. Беккерелем, экспериментировавшим с солями урана. А в 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два радиоактивных элемента: полоний и радий.

Что же такое радиоактивность? Это способность ядер атомов одних химических элементов превращаться в ядра атомов других химических элементов с выделением энергии, носителями которой являются корпускулы (альфа- и бета-частицы, протоны и нейтроны) и фотоны (гамма-лучи).

Известны 4 типа радиоактивного распада (радиоактивности):

1) альфа-распад,

2) бета-распад,

3) спонтанное деление ядер атомов,

4) протонный распад.

Предсказаны и обоснованы математическими расчётами, но ещё не наблюдались экспериментально:

5) двупротонный распад и

6) двунейтронный распад.

Различают естественную (природную) и искусственную (полученную человеком) радиоактивность, которые подчиняются одним и тем же физическим законам.