Ядерна фізика

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Я́дерна фі́зика — розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (в тому числі радіоактивний розпад).

Задачі, що виникають в ядерній фізиці, — це типовий приклад задач декількох тіл. Ядра складаються з нуклонів (протонів і нейтронів), і в типових ядрах містяться десятки і сотні нуклонів. Це число дуже велике для точно розв'язуваних задач, але все-таки дуже мале для того, щоб можна було користуватися методами статистичної фізики. Це і призвело до великої різноманітності різних моделей атомних ядер.

Загальні відомості про ядра атомів[ред.ред. код]

Число протонів в ядрі (число заряду, також порядковий номер елементу) прийнято позначати через Z, число нейтронів — через N. Їх сума A = Z + N називається масовим числом ядра. Атоми з однаковим Z (тобто атоми одного і того ж елементу), але з різними N називаються ізотопами, з однаковими A, але з різними Z — ізобарами, з однаковими N, але з різними Z — ізотонами.

Основна відмінність між протоном і нейтроном полягає в тому, що протон — заряджена частинка, заряд якої e = 4,803×10−10 од. СГС = 1,602×10−19 Кл. Це елементарний заряд, чисельно рівний заряду електрона. Нейтрон же, як і показує його назва, електрично нейтральний. Спіни протона і нейтрона однакові і рівні спіну електрона, тобто 1/2 (в одиницях зведеної сталої Планка ). Маси протона і нейтрона майже однакові: 1836,15 і 1838,68 мас електрона відповідно.

Протон і нейтрон не є елементарними частинками. Вони складаються з двох типів кварків — d-кварка із зарядом —1/3 і u-кварка із зарядом +2/3 від елементарного заряду е. Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка (сумарний заряд +1), а нейтрон з одного u-кварка і двох d-кварків (сумарний заряд — 0). Вільний нейтрон — частинка нестабільна. Він розпадається через 15 хвилин після свого виникнення на протон, електрон і антинейтрино (див. Бета-розпад нейтрона). В ядрі нейтрон знаходиться в глибокій потенційній ямі, тому його розпад може бути заборонений законами збереження.

Методи дослідження та підрозділи[ред.ред. код]

Вивчення будови ядра та його складових елементів можливе тільки за допомогою вивчення ядерних реакцій. Для проведення ядерних реакцій необхідні засоби прискорення й детектування частинок. Тому невід'ємними підрозділами ядерної фізики є фізика прискорювачів і фізика детекторів.

Радіаційна фізика та радіаційне матеріалознавство є міждисциплінарними підрозділами фізики, які вивчають вплив ядерного випромінювання на властивості опромінених речовин і методи модифікації властивостей матеріалів за допомогою опромінення.

Значення[ред.ред. код]

Ядерна фізика має принципове значення для багатьох розділів астрофізики (первинний нуклеосинтез, термоядерні реакції в зорях як під час життя на головній послідовності, так і при сході з неї), і, очевидно, для ядерної енергетики.

Історія[ред.ред. код]

Відкриття радіоактивності[ред.ред. код]

Перше явище з області ядерної фізики було відкрите 1896 року Анрі Беккерелем. Це природна радіоактивність солей урану, що виявляється в спонтанному випромінюванні невидимого проміння, здатного викликати іонізацію повітря і почорніння фотоемульсій. Через два роки П'єр Кюрі і Марія Склодовска-Кюрі відкрили радіоактивність торію і виділили з солей урану полоній і радій, радіоактивність яких виявилася в мільйони раз сильнішою від радіоактивності урану і торію.

Детальне експериментальне вивчення радіоактивних випромінювань було проведено Резерфордом. Він показав, що радіоактивні випромінювання складаються з трьох типів проміння, названих, відповідно α—, β— і γ-променями. Бета-промені складаються з негативних електронів, альфа-промені — з позитивно заряджених частинок (альфа-частинок, які, як з'ясувалося дещо пізніше, є ядрами гелію-4), гамма-промені аналогічні променям Рентгена (не мають заряду), тільки значно жорсткіші, тобто з меншою довжиною хвилі.

Відкриття атомних ядер[ред.ред. код]

У 1911-1913 році Резерфорд разом з Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом проводять експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги, завдяки якому стало зрозуміло, що більша частина маси атому зконцентрована в його ядрі, а електрони обертаються навколо нього. Така модель отримала назву планетарної.

Паралельно з теорією атомного ядра, розвивалася квантова теорія. У 1900 році була опублікована робота Макса Планка, присвячена тепловому випромінюванню тіл. Ця робота стала першою, в якій було висловлене припущення про те, що енергія може випромінюватися лише порціями, квантами. Саме квантова теорія дозволила позбутися протиріч у планетарній моделі Резерфорда, згідно яких електрони мали б дуже швидко впасти на ядра, що призвело до появи у 1913 році атомної моделі Бора. [1]

Відкриття ядерних реакцій[ред.ред. код]

У 1919 році, продовжуючи експерименти з альфа-частинками, Резерфорд відкрив, що при бомбардуванні азоту альфа-частинками, з нього вилітають позитивно заряджені частинки, маса яких майже в 2000 разів більша за масу електронів. Пізніше було показано, що позитивно заряджені частинки вилітають і з інших атомів. Ці цастинки отримали назву протони. Ядерна реакція з азотом, що її спостерігав Резерфорд, може бути записана як

14N + α → 17O + p

Ця реакція була першим доведеним випадком перетворення одного елементу на інший. Також, завдяки цим експериментам було доведено, що атомні ядра не є елементарними, а протони були ідентифіковані як їх складові частини.[1]

У 1928 році була Георгієм Гамовим, Рональдом Генрі і Едвардом Кондоном була створена модель альфа-розпаду, яка базувалася на припущенні, що альфа-частинка постійно знаходиться всередині ядра, а вірогідність альфа-розпаду визначається вірогідністю того, що альфа-частинка пройде через кулонівський бар'єр. Ця модель пояснювала сильну залежність вірогідності розпаду від енергії альфа-частинки. [1] Таким чином, це була перша якісна теорія, що пояснювала динаміку ядерних трансмутацій.

У 1934 Джон Кокрофт і Ернст Уолтон винайшли перший прискорювач заряжених частинок, що дозволило досліджувати ядерні реакції, що запускаються частинками з енергією вищою ніж мають альфа-чатинки.[2]

Відкриття нейтронів[ред.ред. код]

Довгий час вважалося, що ядро складається з протонів і електронів.[2] Проте така модель знаходилася в суперечності з експериментальними фактами, щодо спінів і магнітних моментів ядер. У 1930 році, під час опромінення альфа-частинками берилієвої фольги, було зафіксовано випромінювання з великою проникністю, що складалося з нейтральних частинок.[1] У 1932 році Джеймс Чедвік показав, що це випромінювання складається з невідомих раніше частинок, що отримали назву нейтрони. Після цього, Дмитро Іваненко і Вернер Гейзенберг незалежно висловили припущення, що нейтрони є складовими частинами ядер, що пізніше отримало експериментальні підтвердження. Протон і нейтрон отримали загальну назву нуклонів.

Відкриття ядерних сил[ред.ред. код]

Протони мають заряд одного знаку, тому на них діє великі кулонівські сили, що намагаються виштовхнути їх з ядер. Той факт, що, незважаючи на це, ядра не розпадаються, показує, що між нуклонами існує і інша, ще сильніша взаємодія, що утримує їх разом. Ця взаємодія отримала назву сильної. У 1934-1937 роках Хідекі Юкава створив мезонну модель ядерних сил, побудована на припущенні про те, що нуклони обмінюються ще не відкритими частинками, які було названо пі-мезони. Модель Юкави підтвердилася у 1949.[2]

Різномаїття ядерних реакцій[ред.ред. код]

В 30-ті роки ядерна фізика активно розвивалася, і було відкрито багато нових процесів, що відбуваються в ядрах: Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі відкривають штучну радіоактивність, Енріко Фермі досліджує ядерні реакції, викликані нейтронами, у 1939 році німецькі фізики Отто Ган і Франц Штрассман відривають явище поділу ядра урану під дією нейтронів, а у 1940 році Олексій Фльоров і Константин Петржак відкрили спонтанний поділ ядра[2]

Ядерна зброя[ред.ред. код]

Друга світова війна призвела до спроб знайти військове застосування величезним енергіям, що містило в собі атомне ядро. Відкриття у 1939 році ланцюгової ядерної реакції спонукало великі держави до досліджень урану як джерела такої енергії. Программа Сполученних Штатів Америки під кодовою назвою "Мангеттенський проект" під керівництвом Роберта Оппенгеймера першою досягла успіху, створивши діючу атомну бомбу під назвою "Трініті", випробовування якої стало першим в історії. Створенні пізніше атомні бомби "Малюк" і "Товстун" були використані під час війни проти Японії, і скинуті на Хіросіму і Наґасакі. Цей епізод є, допокищо, єдиним випадком використання ядерної зброї у воєнних цілях.

Німецька ядерна програма розвивалася паралельно з американською, але, через падіння режиму Гітлера, так і не була доведена до кінця.

Радянський атомний проект був повільнішим, і багато в чому спирався на американський, тому СРСР провела перші ядерні випробування лише у 1949 році. Наступні кілька десятиліть супроводжувалися активним нарощуванням ядерних арсеналів. Цей час отримав назву "Холодна війна".

Також, ядерну зброю розробили деякі інші країни: Китай, Великобританія, Франція, Індія, Пакістан, Південно-африканська республіка, і, ймовірно, Ізраіль і КНДР. В наш час ядерні випробовування, а також виробництво атомної зброї країнами, що її не мають, заборонене договором про нерозповсюдження ядерної зброї 1968 року.

Атомна енергетика[ред.ред. код]

Вперше, ядерний реактор, що виробляє енергію за рахунок ланцюгової реакції був продемонстрований у 1942 році групою фізиків під керівництвом Енріко Фермі, і називався "Чиказька дровітня". Коефіцієнт розмноження нейтронів у цьому реакторі дорівнював 1,0006[3] завдяки чому, хоча потужність реактора і зростала експоненційно, час її подвоювання становив близько хвилини. Максимальна потужність реактора склала близько половини вата.[3]

Перша у світі атомна електростанція була побудована в СРСР в 1954 році в місті Обнінськ, Калузької області, і виробляла 5 мегават енергії.

В 2014 році атомні електростанції виробили приблизно 5% усієї спожитої людством енергії.[4]

Термоядерний синтез[ред.ред. код]

Ідея про те, що при об'єднанні легких ядер у важкі виділяється енергія була висловлена ще в 1920 році Артуром Едінгтоном, який припустив, що саме цей процес є джерелом енергії для зірок (детально цей механізм був описаний Гансом Бете у 1939),[5] а у 1934 році така реакція (злиття ядер дейтерію з утворенням тритію або гелію-3) була проведена Марком Оліфантом.[6]

Атомні перегони між СРСР і США спонукали активні дослідження ядерного синтезу, як джерела енергії. Військове застосування ці процеси знайшли у водневій бомбі, пеша з яких була випробувана у 1952 році.

Проте, навідміну від реакції поділу урану, що вже через кілька років після винайдення атомної бомби була використана в атомних електростанціях, реакція синтезу не використовується на практиці і дотепер. Хоча перший водневий реактор, що працює на реакції синтезу (токамак Т-1) був створенний ще у 1950 році в СРСР, протягом наступних десятилітть численні проблеми, пов'язані зі стабільністю та співвідношенням затраченної і отриманної енергії так і не були розв'язані до кінця, незважаючи на мільярдні інвестиції.[7]

Наразі, проект ITER, що будується у Франції, може стати першим, що буде мати позитивний енергетичний баланс. Його запуск планується у 2020 році.

Важкі баріони і відкриття кварків[ред.ред. код]

Завдяки використанню прискорювачів, у 1947 році були відкриті так звані "дивні" частинки[2], а пізніше — чарівні, і красиві. Загальна кількість баріонів активно збільшувалася, але при цьому, вони природньо об'єднувалися в родини, що дозволило припустити, що ці частинки не є елементарними. Пізніші дослідження підтвердили цю гіпотезу: було продемонстровано, що розподіл щільностей всередині протона не є рівномірним — в ньому виділяється деяка внутрішня структура. Такі структурні елементи отримали назву партонів.

У 1964 році Маррі Гел-Маном і Джорджем Цвейгом була розроблена теорія кварків[2]. Згідно неї, кожен баріон складається з трьох, а кожен мезон з двох частинок, кожна з яких має заряд 1/3, і спеціальні квантові числа, що були названі ароматом і кольором. Кварки не можуть покинути андрон, (цей стан отримав назву конфайнмент), і тому нецілі заряди ніколи не спостерігаються. Сильна взаємодія в цьому описі виявлялася лише слабким відголоском взаємодії між кварками, так само як Сили Ван дер Ваальса є відголоском електромагнітних.

Таким чином, всі баріони виявлялися комбінаціями п'яти кварків (і їх антикварків). Шостий — t-кварк, через свою короткоживучість не встигає утворити адрони.

Штучні елементи[ред.ред. код]

Довгий час вважалося, що уран, 92-й елемент, є найважчим серед існуючих, але у 1940 році було синтезовано елемент номер 93, що отримав назву нептуній[8], який був першим штучно синтезованним елементом. В тому ж році було синтезовано плутоній. Протягом наступних років, були синтезовані ще кілька десятків елементів.

На 2016 рік, найважчим з трансуранових елементів елементів є Оганесон, елемент номер 118, синтезованний у 2002 році в Дубні.

Джерела[ред.ред. код]

  • Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. — Знання. — Київ : ВТД «Університетська книга», 2005. — 439 с. — ISBN 966-346-020-2.
  • Каденко І. М., Плюйко В. А. Фізика атомного ядра та частинок. — К. : ВПЦ «Київський університет», 2008. — 414 с.
  • Ядерна фізика : Підруч. / Л. А. Булавін, В. К. Тартаковський. - 2-е вид., переробл. і доповн. - К. : Знання, 2005. - 439 c. - (Вища освіта XXI ст.).
  • Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. — М. : Мир, 1986. — 272+336 с.
  • Вильдермут К., Тан Я. Единая теория ядра. — М. : Мир, 1980. — 504 с.
  • Престон М. Физика ядра. — М. : Мир, 1964. — 576 с.
  • Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М. : Наука, 1980. — 748 с.

Посилання[ред.ред. код]

Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.
  1. а б в г Введение в ядерную физику(рос.)
  2. а б в г д е Введение в физику атомного ядра и физику элементарных частиц(рос.)
  3. а б CP-1 GOES CRITICAL
  4. Key world energy statistics
  5. The internal constitution of the stars(англ.)
  6. Mark Oliphant(англ.)
  7. Термоядерная энергетика: надежда человечества?(рос.)
  8. Нептуній