Сначала изучите: Строение атома
Почти вся масса атома сосредоточена в ядре диаметром ~10⁻¹⁵ m. Ядерная физика изучает состав ядра, удерживающие его силы, радиоактивный распад и ядерные реакции. Атомные электростанции, радиоизотопы в медицине, радиоуглеродное датирование и излучение Солнца — всё это относится к теме.
Ядро состоит из нуклонов — протонов (p, заряд +e) и нейтронов (n, без заряда). Обозначение ᴬ_Z X:
Изотопы — ядра с одинаковым Z, но разным A (например, водород: протий ¹H, дейтерий ²H, тритий ³H). Химические свойства одинаковы, ядерные — различны.
Протоны отталкиваются, но ядро устойчиво — их удерживают ядерные силы. Они очень сильные (примерно в 100 раз сильнее электрических), короткодействующие (~10⁻¹⁵ m) и не зависят от заряда (p–p, p–n, n–n одинаковы).
Сколько протонов и нейтронов в ядре ²⁰⁹₈₄Po?
Масса ядра меньше суммы масс составляющих его свободных нуклонов. Эта разница — дефект массы:
Δm = Z·m_p + N·m_n − M_ядра
Энергия связи: E_св = Δm·c², 1 а.е.м. → 931,5 MeV
Удельная энергия связи E_св/A — энергия на один нуклон. Она максимальна около железа (~8,8 MeV). Поэтому энергию выделяют и деление тяжёлых ядер, и слияние лёгких.
Энергия связи ядра ⁴₂He (m_p = 1,00728, m_n = 1,00866, M = 4,00151 а.е.м.)?
Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых ядер в другие с испусканием излучения (Беккерель, 1896; Пьер и Мария Кюри).
²³⁸₉₂U в результате цепочки распадов превращается в ²⁰⁶₈₂Pb. Сколько было α- и β-распадов?
Момент распада отдельного ядра случаен, но для большого числа ядер закономерность точная. Период полураспада T — время, за которое распадается половина ядер.
N = N₀·2^(−t/T)
T = 10 суток. Какая доля ядер останется через 30 суток и какая распадётся?
В ядерных реакциях сохраняются зарядовое и массовое числа. Первая искусственная реакция (Резерфорд, 1919): ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Энергетический выход: Q = (Σm_до − Σm_после)·c².
Деление: ядро ²³⁵U, поглотив нейтрон, делится на два осколка с выделением ~200 MeV и 2–3 нейтронов. Они вызывают новые деления — цепная реакция. При коэффициенте размножения k = 1 реакция управляемая (реактор АЭС: топливо, замедлитель, регулирующие стержни), при k > 1 — взрыв. Для цепной реакции нужна критическая масса.
Синтез (термоядерная реакция): ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 MeV. Требует очень высокой температуры (~10⁷ K); источник энергии Солнца и звёзд.
²⁷₁₃Al + ¹₀n → ²⁴₁₁Na + X. Что за частица X?
Ионизирующее излучение разрушает молекулы в живой ткани, поэтому его действие нужно оценивать количественно. Поглощённая доза — энергия излучения, поглощённая каждым килограммом вещества:
D = E/m, единица грей (Gy): 1 Gy = 1 J/kg
При одинаковой поглощённой дозе разные излучения наносят организму разный вред: α-частицы на коротком пути создают в ткани очень много ионов. Чтобы это учесть, вводят эквивалентную дозу:
H = w·D, единица зиверт (Sv); для γ и β w = 1, для α w = 20
Естественный радиационный фон (космические лучи, радон в почве и зданиях) даёт человеку примерно 2–3 mSv в год. Три принципа защиты: находиться дальше от источника, проводить под излучением меньше времени и использовать экран (для α — бумага, для β — алюминий, для γ — свинец или бетон). Важно знать, что α-источник снаружи почти безопасен, но очень опасен, если попадёт в организм с дыханием или пищей.
Из чисел §5 видно, почему ядерное топливо так эффективно: одно деление даёт около 200 MeV, а при химическом горении одна молекула даёт несколько eV — разница в десятки миллионов раз.
Человек массой 70 kg поглотил 0,14 J энергии γ-излучения. Поглощённая и эквивалентная доза?
Сколько энергии выделится при полном делении 1 g урана-235 и какому количеству каменного угля (q = 29 MJ/kg) это соответствует?