3. Ядерная физика

Атомным ядром называют центральную часть атома, в которой сосредоточена основная часть его массы. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Для обозначения ядра используется также термин нуклид; протоны и нейтроны часто обозначают общим термином нуклон. Для характеристики ядер используют зарядовое (Z) и массовое (А) числа. Зарядовое число равно числу протонов в ядре. Массовое число равно общему количеству нуклонов в ядре. Таким образом, количество нейтронов в ядре N = A – Z. Для обозначения ядер применяется символ: , где под Х – подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – зарядовое число, которое совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Масса ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в него протонов (m_р) и нейтронов (m_n). Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро, энергия системы понижается. Энергия и масса покоя частицы (m₀) связаны формулой Е₀ = m₀с². Поэтому масса ядра также понижается. Величина

 = [Zm_p + (A – Z) m_n] – m_я (3.2)

называется дефектом массы ядра. Энергия связи ядра и дефект массы связаны формулой:

Е_св = {[Zm_p + (A – Z) m_n] – m_я}с² (3.3)

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц. Для обозначения ядер, испытывающих радиоактивное превращение, используют термин радионуклид. Исходное ядро обычно называют материнским, а образующее ядро – дочерним. Число материнских ядер с течением времени (t) изменяется по закону:

N = N₀ е^{- t} , (3.4)

где N₀ – число материнских ядер в начальный момент времени;  - постоянная распада. Процесс распада часто характеризуют периодом полураспада Т, то есть временем, в течение которого распадается половина всех ядер. Период полураспада и постоянная распада связаны формулой:

(3.5)

Зависимость числа дочерних ядер от времени описывается формулой:

N₂ = N₀ (1 – е^{- t}), (3.6)

где N₀ – число материнских ядер в начальный момент времени.

Вещество, имеющее в своем составе радионуклиды, называют радиоактивным источником. Радиоактивный источник характеризуют его активностью, числом распадов в единицу времени, следовательно, активность источника:

(3.7)

Подставив в формулу (3.7) выражение (3.4) получают:

А = N₀ е^{- t} = A₀ е^{- t} , (3.8)

где А₀ – активность источника в начальный момент времени.

Единицей активности является беккерель (Б_к). Активность в 1 Бк соответствует 1 распаду в 1 секунду. Активность и масса радиоактивного вещества (m) связаны формулой:

(3.9)

где М - молярная масса радионуклида; N_А – число Авогадро.