10. Основні поняття ядерної фізики

Ядра всіх атомів можна розділити на два великі класи: стабільні і радіоактивні. Останні мимовільно розпадаються, перетворюючись у ядра інших елементів. Ядерні перетворення можуть відбуватися і зі стабільними ядрами при їх взаємодії один з одним і з різними мікрочастинками.

Будь-яке ядро ​​заряджено позитивно, і величина заряду визначається кількістю протонів у ядрі Z (число заряду). Кількість протонів і нейтронів в ядрі визначає масове число ядра A. Символічно ядро ​​записується так:

де X - символ хімічного елемента. Ядра з однаковими зарядовим числом Z і різними масовими числами A називаються ізотопами. Наприклад, уран в природі зустрічається в основному у вигляді двох ізотопів

Ізотопи мають однакові хімічними властивостями і різними фізичними. Наприклад, ізотоп урану 2 5 березня 1992 U добре взаємодіють з нейтроном 1 0 n будь-яких енергій і може розділитися на два більш легких ядра. У той же час ізотоп урану-238 92 U ділиться лише при взаємодії з нейтронами високих енергій, більше 1 мегаелектроновольта (МеВ) (1 МеВ = 1,6 · 10 -13 Дж). Ядра з однаковими A і різними Z називаються изобарами.

У той час як заряд ядра дорівнює сумі зарядів входять до нього протонів, маса ядра не дорівнює сумі мас окремих вільних протонів і нейтронів (нуклонів), вона трохи менше її. Це пояснюється тим, що для зв'язку нуклонів в ядрі (для організації сильної взаємодії) потрібна енергія зв'язку E. Кожен нуклон (і протон і нейтрон), потрапляючи в ядро, образно кажучи, виділяє частину своєї маси для формування внутрішньоядерної сильної взаємодії, яка «склеює »нуклони в ядрі. При цьому, відповідно до теорії відносності (див. розділ 3), між енергією E і масою m існує співвідношення E = mc 2, де с - швидкість світла у вакуумі. Так що формування енергії зв'язку нуклонів в ядрі E св призводить до зменшення маси ядра на так званий дефект маси Δm = E св · c 2. Ці уявлення підтверджені численними експериментами. Побудувавши залежність енергії зв'язку на один нуклон E св / A = ε від числа нуклонів у ядрі A, ми відразу побачимо нелінійний характер цієї залежності. Питома енергія зв'язку ε із зростанням A спочатку круто зростає (у легких ядер), потім характеристика наближається до горизонтальної (у середніх ядер), а далі повільно знижується (у важких ядер). У урану ε ≈ 7,5 МеВ, а в середніх ядер ε ≈ 8,5 МеВ. Середні ядра найбільш стійкі, у них велика енергія зв'язку. Звідси відкривається можливість отримання енергії при розподілі важкого ядра на два більш легких (середніх). Така ядерна реакція поділу може здійснитися при бомбардуванні ядра урану вільним нейтроном. Наприклад, 2 3 травня 1992 U ділиться на два нових ядра: рубідій 37 -94 Rb і цезій 140 55 Cs (один з варіантів розподілу урану). Реакція поділу важкого ядра чудова тим, що крім нових більш легких ядер з'являються два нові вільні нейтрони, які називають вторинними. При цьому на кожен акт розподілу припадає 200 МеВ енергії, що виділяється. Вона виділяється у вигляді кінетичної енергії всіх продуктів поділу і далі може бути використана, наприклад, для нагрівання води або іншого теплоносія. Вторинні нейтрони в свою чергу можуть викликати розподіл інших ядер урану. Утворюється ланцюгова реакція, в результаті якої в розмножуючих середовищі може виділитися величезна енергія. Цей спосіб отримання енергії широко використовується в ядерних боєприпасах і керованих ядерних енергетичних установках на електростанціях і на транспортних об'єктах з атомною енергетикою.

Крім зазначеного способу отримання атомної (ядерної) енергії є й інший - злиття двох легких ядер у більш важке ядро. Процес об'єднання легких ядер може відбуватися лише при зближенні вихідних ядер на відстань, де вже діють ядерні сили (сильна взаємодія), тобто ~ 10 - 15 м. Цього можна досягти при надвисоких температурах порядку 1 000 000C. Такі процеси називають термоядерними реакціями.

Термоядерні реакції в природі йдуть на зірках і, звичайно, на Сонце. В умовах Землі вони відбуваються при вибухах водневих бомб (термоядерна зброя), запалом для яких служить звичайна атомна бомба, що створює умови для формування надвисоких температур. Керований термоядерний синтез поки має тільки науково-дослідну спрямованість. Промислових установок немає, однак роботи в цьому напрямі ведуться в усіх розвинутих країнах, в тому числі і в Росії.