Ядерная физика

В современной физике есть год, который называют «годом чудес». Это 1932-й год. Одним из таких «чудес» этого года было открытие нейтрона и создание нейтронно-протонной модели атомного ядра . В результате произошло выделение из атомной физики самостоятельного, бурно развивающегося направления – ядерной физики .

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций . К ядерной физике тесно примыкает физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженный частиц, ядерная энергетика.

Исследуя атомное ядро, ядерная физика использует различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Немецкий физик М. Борн предложил в 1936 г. гидродинамическую модель атомного ядра, согласно которой ядро уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов ). Как и в капле обычной жидкости, поверхность капли-ядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер и одновременно немецкий физик И. Йенсен разработали в 1950 г. оболочечную модель атомного ядра, в которой нуклоны ядра движутся независимо друг от друга в некоем усредненном поле ядерной силы. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из который характеризуется определённым значением энергии. Стремясь примирить взаимно исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей, датские физики О. Бор и Б. Моттельсон, а также американский физик Дж. Рейнуотер разработали в начале 1950-х гг. так называемую обобщенную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из сердцевины – устойчивой внутренней части (нуклоны целиком заполненных оболочек) и «внешних» нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами сердцевины. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина ядра может деформироваться, принимая форму вытянутого или, напротив, сплюснутого эллипсоида; может испытывать колебания.

Весьма важной обшивной составной частью ядерной физики является нейтронная физика. Она занимается ядерными реакциями, происходящими под действием нуклонов. Поскольку нейтрон электрически нейтрален, электронное поле ядра-мишени не отталкивает его; поэтому даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизится к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы. Нейтронная физика исследует также взаимодействие очень медленных нейтронов с веществом (энергия таких нейтронов порядка 0,01 эВ и меньше). Получаемые в этих исследованиях данные по рассеянию нейтронов веществом используются для выявления атомной структуры и характера движения атомов в различных кристаллах, жидкостях и отдельных молекул.

Современная ядерная физика достаточно четко распадается на две органически взаимосвязанные «ветви» – теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая ядерная физика «работает» с моделями атомного ядра и ядерных реакций; она опирается на фундаментальные физические теории, созданные в процессе исследования физики микромира. Экспериментальная ядерная физика использует богатейший арсенал современных исследовательских средств, включая в себя ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источники пучков ускоренных электронов, протонов, ионов, а также мезонов и гиперонов), разнообразные детекторы частиц, возникающих в ядерных реакциях. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя человеку глубже проникать в тайны строения материи . В то же время эти исследования необычайно важны и в практическом отношении (в ядерной энергетике , медицине и т.д.)

Ядерная энергетика

В атомных ядрах нуклоны (протоны и нейтроны ) связаны ядерными силами, причем энергия связи Е_св различна для разных ядер. Об энергии связи можно судить по дефекту масс ядер DМ – разнице между суммой масс нуклонов и массой ядер, при этом Е_св = DМс² (с – скорость света). Измеренная таким образом зависимость Е_св (в расчете 1 нуклон) от атомного веса ядра А достигает максимума (Е_св » 8 МэВ на 1 нуклон) для атомных ядер средних масс и спадает в сторону тяжелых и легких ядер.

В ядерных реакциях деления тяжелых ядер и синтеза легких ядер, в которых продукты реакции связаны более сильно, чем исходные ядра, разница в энергиях связи переходит главным образом в кинетическую энергию ядер – продуктов и выделяется при их торможении в веществе в виде тепла.

На использовании этой энергии основана ядерная энергетика. Поскольку в ядерных реакциях выделяется энергия ~МэВ по сравнения с энергией связи атомов в молекулах ~эВ, выделяющейся в химических реакциях, теплотворная способность ядерных топлив оказывается в миллионы раз больше, чем обычных топлив.

Существует две возможности освобождение ядерной энергии и соответственно два главных направления ядерной энергетики.

Ядерная энергетика деления основана на делении тяжелых ядер нейтронами с образованием двух ядер-осколков А₁ и А₂ и нескольких (v) нейтрино . В природе есть лишь один изотоп –