Тема № 10 Физика атомного ядра

Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. А. Беккерелем. Это – естественная радиоактивность солей урана. Далее Резерфордом было установлено, что радиоактивное излучение состоит из трёх типов лучей, названных соответственно α-, β- и γ-лучами. Как было установлено, α-лучи – поток ядер гелия, β-лучи – поток электронов, γ-лучи электромагнитные волны с частотой, большей, чем у рентгеновских лучей. После открытия Чедвиком в 1932 году нейтрона было установлено, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов ( эти частицы получили общее название нуклонов ). Эти частицы отличаются по массе всего на 0,14 %. Свободный протон – стабильная частица, а среднее время жизни свободного нейтрона близко к 15 мин. В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино:

n → p + e^- + _e. (10.1)

Эта реакция лежит в основе электронного β^--распада. В настоящее время открыты ещё два типа β-распада, - позитронный β⁺-распад, при котором ядро испускает позитрон, а потому его зарядовое число уменьшается на единицу, и К-захват, при котором ядро захватывает электрон с К-слоя атома и по этой причине зарядовое число уменьшается на единицу.

В отличие от нейтрона, протон - заряженная частица, протоны и нейтроны внутри ядра удерживаются за счёт так называемого сильного взаимодействия. Характерными отличиями этого вида взаимодействия является короткодействие ( ~ 10^-15 м), независимость от заряда нуклона (зарядовая симметрия), а также свойство насыщения, т.е. возможность взаимодействия с ограниченным числом соседних нуклонов.

Энергия связи ядра Е_св определяется минимальной работой, которую надо произвести, чтобы полностью расщепить ядро на составляющие его нуклоны. В силу соотношения между массой и энергией из специальной теории относительности

Е_св = Δm с², (10.2)

где дефект массы ядра равен

Δm = Z m_p + (A – Z) m_n. (10.3)

Удельная энергия связи Е_св/А в зависимости от массового числа А сначала резко растёт от примерно 1 МэВ/нуклон для водорода до 8, 5 МэВ/нуклон для железа, а затем медленно уменьшается с ростом А, для урана удельная энергия связи приблизительно равна 7.5 МэВ/нуклон.

Радиоактивный распад – явление статистическое. Пусть N – число (очень большое) радиоактивных ядер в момент времени τt, а N+dN , в более поздний момент t+dt. Величина dN отрицателона, поскольку атомы могут только распадаться. На основании изложенного выше

dN = ─ λ N dt (10.4)

где λ называется постоянной радиоактивного распада. После интегрирования с начальными условиями N = N₀ при t == 0 получаем

N = N₀ ехр (─λt) (10.5)

Время Т_1/2, по истечении которого наличие радиоактивных ядер убывает в 2 раза, называется периодом полураспада. Если подставить в (10.5) N = N₀/2, то

½ = ехр(─λТ_1/2),

откуда

λ = ln2/Т_1/2

и закон радиоактивного распада принимает вид

N = N₀ ехр( ─ t ln 2/Т_1/2) (10.6)

Статистический закон радиоактивного распада при наличии очень большого количества радиоактивных атомов – практически очень точный закон. Рассмотрим, например, определение возраста Земли. «Атомными часами», могут служить долгоживущие ядра ²³⁸U (период полураспада 4,56 млрд лет) и ²³²Тh (14 млрд лет). Конечными продуктами их радиоактивного распада являются соответственно стабильные изотопы свинца ²⁰⁶Рb и ²⁰⁸Рb. Они называются радиогенными в отличие от так называемого изначального свинца ²⁰⁴Рb. Если предположить, что весь радиогенный свинец получился в результате распада урана и тория, то можно вычислить возраст Земли. Для этого необходимо точно измерить количество различных изотопов радиогенного свинца в радий-урановых рудах. В настоящее время такой метод даёт для возраста Земли приблизительно 4,5 млрд лет, что хорошо согласуется с другими методами.

После открытия нейтрона Ферми со своими сотрудниками начали облучать нейтронами атомные ядра с целью получения новых химических элементов. Эти и более поздние систематические многолетние исследования Гана, Мейтнер и Штрассмана привели к открытию деления атомных ядер – одному из важнейших открытий, получившему многочисленные научно-технические применения. При делении тяжёлых ядер выделяется энергия порядка 200 МэВ на каждое делящееся ядро. Эта величина в сотни миллионов раз превосходит энергию, выделяющуюся при химических реакциях. Первоначально атомная энергия была использована в военных целях. В конце 30-х годов 20 века в ряде стран проводились опыты по использованию цепной реакции деления урана ²³⁵U для создания атомной бомбы. Такое устройство было создано в 1945 году в США. Осуществление управляемой цепной реакции на атомных электростанциях является сложной научно-технической задачей. При делении тяжёлых ядер при каждом акте деления образуется 2-3 нейтрона, которые играют важнейшую роль в осуществлении цепных ядерных реакций. Различают медленные или тепловые нейтроны, энергия которых порядка kТ (≈0,03 эВ) и быстрые нейтроны с энергией, превышающей 1 МэВ.

В природе в естественном состоянии встречается только одно ядерное топливо – уран. Естественный уран содержит 0,07 % изотопа ²³⁵U, остальные 99,3 % - составляет изотоп ²³⁸U, который искусственным путём превращается в изотоп ²³⁹Рu, являющийся также ядерным горючим. Ядра изотопов ²³⁵U и ²³⁹Рu делятся нейтронами любых энергий, в том числе и тепловыми. Ядра изотопа ²³⁸U медленными нейтронами не делятся, а делятся только быстрыми нейтронами. Цепная реакция деления – основной процесс, который идёт в ядерном реакторе. Объём, занимаемый делящимся веществом, называется активной зоной реактора. В гетерогенном реакторе ядерное топливо в активной зоне располагается дискретно в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами). Обычно ТВЭЛы образуют правильную решётку, а между ними располагается замедлитель нейтронов. Цепная реакция в реакторе практически осуществляется на так называемом обогащённом уране, в котором содержание ²³⁵U составляет 2-3 %. Важнейшей величиной, характеризующей работу реактора, является коэффициент размножения нейтронов, его величина регулируется с помощью поглотителей нейтронов. На первом ядерном реакторе, построенном под руководством Ферми в 1942 г. в Чикаго, коэффициент размножения нейтронов равнялся 1,0006, а первоначальная мощность составляла 200 Вт.

Значительный интерес представляют реакции синтеза лёгких ядер, которые называются термоядерными, например реакция

²Н + ²Н → ³Не + n + 3,27 МэВ (10.7)

Дейтерий ²Н (D) – стабильный изотоп водорода, он встречается в природе в виде молекул D₂О (тяжёлая вода) и DНО. В 1 кг воды содержится приблизительно 5 10²⁰ атомов дейтерия, за счёт реакции (10.7) из этого количества атомов может выделиться энергия 1,5 10⁸, что эквивалентно 4 кг угля.. Из всего дейтерия на Земле может быть выделена энергия , которая эквивалентна 6 10²¹ кг угля, что составляет 0, 001 часть массы Земли! Это практически неисчерпаемые запасы энергии, однако при практическом использовании реакций управляемого термоядерного синтеза необходимо решить целый ряд практических задач – получения и удержания плазмы с температурой порядка 10⁹ К. Наиболее перспективным устройством для удержания плазмы в настоящее время считается ТОКАМАК (сокращение от «тороидальная камера с магнитными катушками»). ТОКАМАКи – сложные и дорогостоящие установки. Сейчас разрабатывается интернациональный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР), основная задача которого – техническая демонстрация управляемого термоядерного синтеза.

При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что это есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Но и в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными, сейчас к «истинно» элементарным принято относить: 1) лептоны и их нейтрино, 2) кварки; 3) фотоны и промежуточные бозоны.

Все частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, обладают нулевым или целочисленным спином. К ним относятся: гравитон, фотон, глюоны, мезоны и др .Частицы с полуцелым спином называются фермионами, они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К ним относятся лептоны, все барионы и кварки. Адронами называются элементарные частицы, участвующие в сильных взанмодействиях. Адроны с полуцелым спином и массой не меньше массы протона называют бозонами, к ним относятся нуклоны и гипероны.

В микромире каждой частице соответствует античастица. Понятия частицы и античастицы относительны , например электрон считают частицей, а позитрон античастицей только потому, что электрон открыт давно, а позитроны являются более экзотическими объектами. При встрече частицы и античастицы они аннигилируют, т.е. превращаются в два или несколько квантов излучения. При взаимных превращениях элементарных частиц сохраняются электрический, лептонный и барионный заряды. Лептонный заряд равен +1 для всех лептонов, ─ 1 для антилептонов и 0 для всех остальных частиц. Барионный заряд равен +1 для барионов, ─ 1 для их античастиц и 0 для всех прочих частиц.

В 1964 г. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтверждённая дальнейшими исследованиями, что вес адроны состоят из кварков. Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3. Кварки u, c, t называют верхними с зарядом +2/3, кварки d, s , b – нижними с зарядом - 1/3. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud), нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (udd). Каждый тип кварка (аромат) характеризуется тремя цветами. По современным представлениям, сильное взаимодействие осуществляется путём обмена между кварками безмассовыми частицами, которые называются глюонами.