Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра.

(8.1)

где R₀=(1,31,7)10 ^-15 м, А – число нуклонов (массовое число). Плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер ( 10¹⁷ кг/м³).

Между составляющими ядра нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами.

Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.

Основные свойства ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10 ^-15 м.

3) ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа ) только при условии параллельной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра, не сообщая ему кинетической энергии.

Энергия связи ядра определяется той работой, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии. При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра объясняется выделением энергии связи, т.е.

.

(8.2)

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро с массой М_я образованно из Z протонов с массой m_p и из (A-Z) нейтронов с массой m_я , то

.

(8.3)

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

.

(8.4)

Удельной энергией связи ядра называется энергия связи, приходящая на один нуклон:

.

(8.5)

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванных взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами.

В ядерных реакциях участвуют два ядра и две частицы. Одна пара ядро – частица является исходной, другая пара – конечной. Символическая запись ядерной реакции:

,

(8.6)

где А и В – исходное и конечное ядра; a и b – исходная и конечная частицы в реакции (например: a и b – это такие частицы как α - частица, β - частица, n - нейтрон, p - протон, e⁺ - позитрон).

Ядерная реакция характеризуется энергией Q ядерной реакции, равной разности энергий конечной и исходной пар в реакции. Если Q<0, то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической; если Q>0, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической.

Эндотермическая ядерная реакция оказывается возможной при некоторой наименьшей (пороговой) кинетической энергии W_порог, вызывающей реакцию ядер или частиц:

,

(8.7)

где M_A – масса неподвижного «ядра – мишени»; M_a – масса налетающей на ядро частицы (или ядра).

Реакция деления ядра заключается в том, что тяжелое ядро под действием «бомбардировки» нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер, близких по массе. Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух – трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.

Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления. При этом идет лавинообразное нарастание числа актов деления – цепная реакция деления. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Под радиоактивностью понимают превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Различаются естественная и искусственная радиоактивность. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада:

,

(8.8)

где N₀ – число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N – число ядер в том же объеме к моменту времени t, – постоянная распада, - период полураспада.

Периодом полураспада называется интервал времени, в течение которого распадается половина ядер.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда и массовых чисел.

Закон сохранения массовых чисел

(8.9)

Закон сохранения зарядового числа

(8.10)

При α – распаде распадающее «материнское» ядро испускает α – частицу и превращает в «дочернее» ядро элемента Y.

.

(8.11)

Дочерний элемент Y имеет атомный номер на две единицы меньший и, следовательно, сдвинут относительно Х на две клетки влево по таблице Менделеева.

При β – распад происходит испускание отрицательно заряженного электрона (т.е. β = e)

.

(8.12)

Уравнения (8.11) и (8.12) носят название правил радиоактивного смещения.

а) электронный β_- – распад: ядро испускает электрон и электронное антинейтрино ; распад происходит при превращении одного вида нуклона в другой: нейтрона в протон по следующей схеме:

.

(8.13)

б) позитронный β₊ – распад: ядро испускает позитрон е⁺ и электронное нейтрино ν_e, процесс происходит при превращении протона в нейтрон по следующей схеме:

.

(8.14)

в) электронный захват: превращение протона в нейтрон происходит по следующей схеме

,

(8.15)

и заключается в том, что исчезает один из электронов на ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы захватывает электрон. Электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

3) γ – излучение является жестким электромагнитным излучением, энергия которого испускается при переходе ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях.

Согласно (8.8) можно ввести число распадов N в единицу времени, которое называется активностью a данного препарата

.

(8.16)

Знак «-» показывает, что число радиоактивных ядер с течением времени убывает.

Элементарные частицы принято делить на три группы:

1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы — фотона — кванта электромагнитного излучения;

2) лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный 1/2.

3) Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов относятся пионы, каоны, -мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают так называемое лептоновое число (лептовый заряд) L.

Закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, -мезон), а адроны с В= +1 образуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Если принять для барионов В= +1, для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) В=-1, а для всех остальных частиц В= О, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется. Барионы имеют спин, равный 1/2.

Мезоны имеют спин, равный нулю. Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают спином равным +1.