1.1.Ядерные силы

Существование атомов (а, следовательно, и нас с вами!) было бы невозможно, если бы между нуклонами в ядре не существовали силы притяжения, намного превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Эти силы в основном и определяют энергию связи ядра. Эта энергия «работает» в атомных реакторах и в водородной бомбе, на неё рассчитывают учёные, планирующие энергетику будущего человечества.

По сравнению с известными нам силами (электро-магнитными, гравитационными) ядерные силы имеют ряд особенностей:

1) ядерные силы обладают свойством зарядовой незави-симости, то есть они не зависят от электрического заряда нуклона; между двумя протонами или двумя нейтронами действует такая же сила притяжения, как между протоном и нейтроном;

2) эти силы – короткодействующие; радиус действия ядерных сил составляет ~10^-15 м, то есть эти силы «работают» практически лишь в пределах атомного ядра;

3) т.к. радиус действия ядерных сил очень мал, то каждый протон может взаимодействовать лишь с ограниченным числом нуклонов из ближайшего окружения; это свойство ядерных сил называется насыщенностью;

4) ядерные силы, действующие между двумя нуклонами, зависят от взаимной ориентации их спинов; так, протон и нейтрон в ядре дейтерия удерживаются лишь потому, что их спины параллельны;

5) ядерные силы нецентральные, то есть действуют не по прямой, соединяющей центры нуклонов; это свойство ядерных сил проявляется, например, в том, что магнитный момент ядра дейтерия не является геометрической суммой моментов протона и нейтрона^*.

Как все взаимодействия в квантовой физике, ядерные силы носят обменный характер. Они возникают в результате обмена квантами ядерного поля.

2.Радиоактивность

Атомные ядра устойчивы лишь при определенном соотношении между числом протонов и нейтронов. Например, углерод (Z=6) имеет лишь два устойчивых изотопа – с пятью (А =11) и с шестью (А = 12) нейтронами. А, например, ядро , содержащее восемь нейтронов, неустойчиво и распадается примерно за 6000 лет. Ряд элементов в конце таблицы Менделеева (радий, торий, уран и др.) и вовсе не имеют устойчивых изотопов. Неустойчивые ядра рано или поздно распадаются, превращаясь в ядра других элементов.

Процесс распада неустойчивых ядер называется радиоактивностью.

Радиоактивность бывает естественная и искусственная.

В 1896 г. французский физик Анри Беккерель, работавший с солями урана, обнаружил неизвестное ранее излучение. Дальнейшие исследования показали, что за излучение ответственны ядра урана, которые неустойчивы и, испуская другие частицы, переходят в устойчивые ядра. Этот процесс и был назван радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад является статистическим (вероятностным) процессом. То есть невозможно предсказать, когда распадётся конкретно данное ядро. Можно указать лишь вероятность, с которой это ядро распадётся в ближайшую секунду, минуту, час и т.д.

Опыт показывает, что количество радиоактивных распадов пропорционально количеству вещества (числу N радиоактивных ядер) и времени. Это можно записать так:

–dN =Ndt , (5)

где  – коэффициент пропорциональности, а dN – число распадов за время dt (dN<0, т.к. со временем число радиоактивных атомов N убывает). Разделяя переменные и интегрируя (5), имеем

,

откуда следует ln N = - t + С _, (6)

где С – постоянная интегрирования.

Перепишем (6) в виде ln N = ln e^-t + ln e^С . (7)

Потенцируя, имеем N = Сe^-t. (8)

Если число радиоактивных атомов в момент t=0 положить равным N(0)=N₀, то С=N₀ и окончательно:

N(t) = N₀e^-t.(9)

Соотношение (9) отражает закон радиоактивного распада. Коэффициент  называется постоянной распада и имеет смысл вероятности распада ядра за одну секунду.

Время Т, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада. Из (9) следует, что ghb 'njv

е^-T=1/2, откуда .