1. Элементы ядерной физики

1.1. Строение атома

Атом – сложная система, размер которой мал и составляет в диаметре около 10^-10 м (10^-8 см). Атом состоит из положительно заряженного ядра (в центре) очень малых размеров – 10^-15 м (10^-13 см) и отрицательно заряженных электронов, находящихся на орбитах. Атом является нейтральным, так как положительный заряд ядра равен отрицательным зарядам электронов орбит атома. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре – 99,95-99,98%. Масса электронов на оболочках незначительна, около 0,02%. Учеными рас-считано, что если бы удалось получить 1 см³ чистого ядерного вещества, то масса его составила бы 100-200 млн. тонн.

Масса ядер и элементарных частиц обычно выражается в атомных единицах массы (а. е. м.). А. е. м. = 1,6610^-27 кг. Атомная единица массы пока-зывает, во сколько раз атом данного элемента тяжелее 1/12 части атома изотопа ₆¹²С.

Плотность ядерного вещества составляет около 1,810¹⁷ кг/м³ (зависит от размеров ядра), что свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Ядра атомов имеют сферическую форму, а объем их пропорционален массовому чис-лу.

Атомное ядро имеет сложное строение и состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и пи-мезонов. Протоны и нейтроны ядра имеют общее название нуклоны (от греч. nucleus – ядро). Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом (А). Нуклоны в ядре находятся в движении, между ними действуют ядерные силы (особый вид сил – силы притяжения), которые проявляются на расстояниях до 10^-15 м (размер ядра). В ядре протоны и нейтро-ны могут превращаться друг в друга. Протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц – кварков (открыты в середине 60 годов ХХ века). Кварки в 1000 раз меньше нуклона. Различают 6 типов кварков (u, d, s, c, b, t). Каждый из них существует в трех вариантах. В ядрах атомов наряду с нуклонами имеются и более мелкие частицы пи-мезоны (пионы). В настоящее время известно порядка 200 элементарных частиц, в том числе 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов и др.

Основными характеристиками элементарных частиц являются электрический заряд, масса и устойчивость.

Протон (от греч. protos – первый) – устойчивая элементарная частица, имеющая положительный единичный заряд (1,60210^-19 Кл), равный по вели-чине заряду электрона. Протон открыт в 1919 году Э. Резерфордом. Обозначается символом ₁¹p. Масса его составляет 1,00758 а. е. м. (1,672110^-27 кг) или в 1836 раз больше массы электрона. Среднее значение жизни протона в свободном виде более 10³⁰ лет. Протон состоит из трех кварков: двух u-кварков и одного d-кварка. Количество протонов в ядре соответствует атомному номеру элемента или зарядовому числу (Z), а также порядковому номеру элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева. В ядре атома водорода содержится 1 протон (₁H), а в атоме урана их 92 (₉₂U). Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке нейтрального атома.

Нейтрон (от лат. neutrum – ни то, ни другое) – неустойчивая элементар-ная электрически нейтральная частица. Нейтрон открыт в 1932 году Д. Чедвиком. Обозначается символом _о¹n. Масса покоя его приблизительно равна массе протона и составляет 1,00898 а. е. м. (1,674910^-27 кг). Нейтрон так же, как и протон, состоит из трех кварков: двух d-кварков и одного u-кварка. Нейтрон электрически нейтрален и не участвует в кулоновских взаимодействиях с атомными ядрами и электронами. Сталкиваясь с тяжелыми атомами, отска-кивает, почти не теряя энергии, а при столкновении с легкими атомами передает им часть своей энергии и замедляет движение. Нейтрон в свободном состоянии не стабилен. Период полураспада его примерно равен 12,8 минуты. Находясь в состоянии свободном, нейтрон испускает электрон и антинейтрино и превращается в протон: ₀¹n→₁¹p + _-1⁰е (е^‾ ) + ν^‾.

Нейтрон не отклоняется в магнитном поле, обладает большой проникаю-щей способностью. Количество нейтронов в ядре не является строго определен-ным и может не соответствовать числу протонов. В ядре атома гелия имеются два нейтрона. С возрастанием порядкового номера элемента число нейтронов увеличивается. В ядре ₉₂²³⁸U содержится 146 нейтронов, а протонов – 92. Сум-ма нейтронов и протонов ядра составляет массовое число (А), а количество протонов – его заряд (Z). Символ химического элемента обозначается _Z ^A X.

Например, ₁₉³⁹К, ₃₈⁸⁷Sr, ₈₈²²⁶Ra, ₉₂²³⁸U.

Количество нейтронов в ядре определяется по разности между массовым числом и атомным номером элемента (числом протонов): N = A – Z.

Пи-мезоны (пионы) – нестабильные элементарные частицы (открыты в 1947 г). Свое название пи-мезоны получили от греческого слова «mesos» – средний, промежуточный. Они обозначаются символом π. Пи-мезоны состоят из кварка и антикварка и обладают массой (0,1883510^-27 кг), промежуточной между массами протона и электрона. Пи-мезоны представлены группой из трех частиц: двух заряженных (π⁺ и π^-) и одной нейтральной (π^о). Пи-мезоны в ядре осуществляют связь между нуклонами.

Стабильность или нестабильность атомного ядра обусловлена действую-щими между протонами кулоновскими силами отталкивания и ядерными силами притяжения. Ядерные силы представляют собой вторичное проявление кварк-глюонного (глюоны – особые частицы, во многом напоминающие по свойствам частицы электромагнитного поля – фотоны) взаимодействия. Ядер-ные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и пи-мезонами. Особенность ядерных сил состоит в том, что они очень велики на крайне коротких расстояниях (порядка размера ядра 10^-15 м) и во много раз превосходят кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Стабильность атома зависит от количества нейтронов в ядре. С увеличением расстояния между нуклонами, а также с увеличением числа нуклонов в ядре ядерные силы ослабевают и уменьшаются до нуля.

Наиболее стабильными являются изотопы легких элементов. С увеличе-нием атомного номера элемента в стабильных ядрах наблюдается относительно незначительное преобладание нейтронов в сравнении с количеством протонов. Это объясняется тем, что с увеличением числа протонов увеличивается сила электрического отталкивания, и для того, чтобы ее компенсировать ядерными силами, необходимы нейтроны, которые не имеют электрического заряда. У элементов с атомным номером более 82 количество нейтронов значительно преобладает над количеством протонов, и ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить устойчивость ядер, в результате происходят процессы их внутренней перестройки. Не существует устойчивых ядер с Z > 83.

Для ядер атомов начала и середины Периодической системы элементов Д.И. Менделеева оптимальным соотношением с точки зрения устойчивости является равенство протонов и нейтронов. Если оно нарушается, происходит радиоактивный распад ядер.

Ядро атома можно разделить на составляющие его протоны и нейтроны. Для этого следует затратить энергию, которая получила название энергия связи ядра (Е_св). При образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи:

Е_св = (Zm_p + Nm_n - m_я) ∙ с² = ∆m ∙ с² ,

где ∆m – дефект массы ядра; с – скорость света в вакууме (3∙10⁸ м/с).

При расчете массы ядер фактическая масса оказывается меньше расчет-ной. У атома гелия масса ядра равна 4,033 а. е. м. (она определяется по формуле: m_я = m_p N_p+ m_n N_n,

где m_я – масса ядра; m_p – масса и N_p – число протонов; m_n – масса и N_n – число нейтронов).

Расчет: m_я = 1,00758∙2 + 1,00898∙2 = 4,03312 или равна 4,033 ( а. е. м.).

На самом деле фактическая масса ядра гелия меньше и равна 4,003 а. е. м. Разница составляет 0,03 а. е. м. Ядро гелия имеет дефект (недостаток) массы.

Разницу между фактической и расчетной массой называют дефектом массы. Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, и сколько энергии выделилось бы при образовании ядра из отдельных нуклонов. Свойство дефекта массы используется для выделения внутриядерной энергии в реакциях деления и синтеза ядер атомов.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи (Е_уд). Она определяется по формуле: Е_уд = Е_св/А,

где Е_св – энергия связи ядра; А – массовое число, которое показывает количество нуклонов в ядре.

Удельная энергия связи характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер: чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, составляет для всех ядер (не считая дейтерия и трития) примерно 7-8,5 МэВ.

Электрон – устойчивая элементарная частица, имеющая малую массу покоя (0,000548 а. е. м. или 9,109510^-31 кг). Электрон обозначают символом _-1⁰е или е^-. Электрон имеет один отрицательный элементарный заряд электричества (наименьшее количество электричества, встречающееся в природе – 1,60210^-19 Кл или 4,810^-10 абс. эл. ст. ед.). Электроны открыл в 1897 году Д. Томсон. Сумма электронов в нейтральном атоме равна сумме протонов в ядре. Электроны в атоме располагаются на электронных уровнях (орбитах). Их всего может быть семь. Обозначаются либо цифрами, либо буквами латинского алфавита: K, L, M, N, O, P, Q. Они соответствуют семи периодам Периодичес-кой системы элементов Д.И. Менделеева. На каждом уровне (орбите) может находиться строго определенное количество электронов (N = 2n²). На K слое их не более 2 (N = 21²), L – 8 (N = 22²), M – 18 (N = 23²), N – 32 (N = 24²) и т.д. В атоме энергетические уровни подразделяются на подуровни (не более 4-х), которые обозначаются латинскими буквами s, p, d, f.

На движущийся вокруг ядра электрон действуют противоположно нап-равленные силы: кулоновская сила притягивает электрон к ядру, а центробеж-ная сила инерции стремится вырвать электрон из атома. Электроны, вращаясь по орбите, обладают собственным моментом движения, получившего название «спин», а также экранируют (отталкиваются) друг от друга за счет отрицатель-ного заряда каждого. Энергия связи электрона с ядром на внешней орбите маленькая и часто составляет всего несколько электронвольт (1-2 эВ), тогда как у электронов внутренних слоев она во много раз больше (на К-уровне у углерода – 280 эВ, цезия – 36 кэВ, радия – 280 кэВ).

В ядерной физике за единицу энергии принят электронвольт и производ-ные от него. Электронвольт (эВ) – энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 Вольт.

1 МэВ = 10 ⁶ эВ; 1 кэВ = 10 ³ эВ; 1 эВ = 1,610^-19 Дж = 1,610^-12 эрг.

Поэтому электроны внешних орбит при получении энергии из вне могут покидать пределы атома. Электроны в атоме могут переходить с одной орбиты на другую, и этот процесс сопровождается или поглощением, или выделением энергии.

Позитрон (₊⁰е) – элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине заряду элект-рона.