Физика атома и атомного ядра. Радиоактивность. Ядерная энергетика

В 1911 году Эрнест Резерфорд с сотрудниками провел классический опыт по бомбардировке тончайшей золотой фольги пучком быстрых положительно заряженных α-частиц (ядер гелия).

Результаты опыта:

• Подавляющее большинство α-частиц свободно проходили сквозь фольгу, почти не отклоняясь от прямой траектории;

• Однако примерно одна из 8000 частиц испытывала колоссальное отклонение на углы более 90° и даже отбрасывалась назад!

Планетарная модель атома Резерфорда:

1. В центре атома находится микроскопическое положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома (более 99.95%);

2. Размеры атома составляют около 10⁻¹⁰ м (0.1 нм), а размеры ядра — около 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м (в 100 000 раз меньше атома!). Атом внутри практически пуст;

3. Вокруг ядра движутся отрицательные электроны, суммарный заряд которых в точности компенсирует заряд ядра.

В 1932 году после открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг создали современную протонно-нейтронную модель ядра.

Ядро любого атома состоит из элементарных частиц — нуклонов двух видов:

1. Протон (p): заряд q_p = +e = +1.6 · 10⁻¹⁹ Кл, масса m_p ≈ 1.673 · 10⁻²⁷ кг (1.0073 а.е.м.);

2. Нейтрон (n): электрический заряд q_n = 0, масса m_n ≈ 1.675 · 10⁻²⁷ кг (1.0087 а.е.м.).

Характеристики ядра обозначают химическим символом ᴬ_Z X:

• Z — зарядовое число (атомный номер элемента в таблице Менделеева), равное числу протонов в ядре и числу электронов в атоме;

• A — массовое число (общее число нуклонов в ядре): A = Z + N;

• N — число нейтронов в ядре: N = A - Z.

Изотопы — разновидности одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов Z, но разное число нейтронов N (например, изотопы водорода: протий ¹₁H, дейтерий ²₁H, тритий ³₁H).

В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл самопроизвольное испускание солями урана невидимых проникающих лучей — радиоактивность. Позднее Мария и Пьер Кюри открыли новые мощные радиоактивные элементы — полоний и радий.

В 1899 году Резерфорд при исследовании излучения радия в магнитном поле разделил его на три компонента:

1. α-излучение (альфа-лучи) — поток положительно заряженных ядер гелия ⁴₂He (два протона и два нейтрона). Обладают малой проникающей способностью (задерживаются листом бумаги или одеждой), но высокой ионизирующей силой.

2. β-излучение (бета-лучи) — поток быстрых отрицательных электронов ⁰₋₁e, летящих со скоростями, близкими к скорости света. Проникающая способность выше (задерживаются пластиной алюминия толщиной несколько миллиметров).

3. γ-излучение (гамма-лучи) — жесткое высокочастотное электромагнитное излучение (поток квантов-фотонов) без электрического заряда и массы покоя. Обладает гигантской проникающей способностью (ослабляется только толстым слоем свинца или полутораметровым слоем бетона).

При радиоактивном распаде происходят естественные превращения одних химических элементов в другие по правилам смещения Фредерика Содди:

1. Правило α-распада: при испускании α-частицы массовое число ядра уменьшается на 4, а зарядовое число уменьшается на 2 — элемент смещается на две клетки ближе к началу таблицы Менделеева:

ᴬ_Z X → ᴬ⁻⁴_{Z-2} Y + ⁴₂He.

2. Правило β-распада: внутри ядра нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино. Зарядовое число ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется — элемент смещается на одну клетку ближе к концу таблицы:

ᴬ_Z X → ᴬ_{Z+1} Y + ⁰₋₁e + ν̃.

Закон радиоактивного распада: за период полураспада T распадается в среднем ровно половина всех имеющихся радиоактивных ядер:

где N₀ — начальное число ядер, N(t) — число нераспавшихся ядер через время t, T — период полураспада.

Нуклоны в ядре удерживаются мощнейшими ядерными силами — самым сильным взаимодействием в природе, действующим на расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м.

Дефект массы (Δm): точные измерения масс ядер на масс-спектрометрах показали, что масса любого покоящегося атомного ядра M_я ВСЕГДА строго меньше суммы масс составляющих его свободных протонов и нейтронов:

Δm = (Z · m_p + N · m_n) - M_я > 0.

Формула Альберта Эйнштейна связи массы и энергии:

E_св = Δm · c².

При объединении нуклонов в ядро выделяется гигантская энергия связи E_св.

Цепная ядерная реакция деления: в 1938 г. Ган и Штрассман открыли деление ядра урана-235 при захвате медленного нейтрона. Ядро урана делится на два осколка, испуская 2–3 новых быстрых нейтрона и колоссальную энергию (~200 МэВ на одно ядро!). Новые нейтроны вызывают деление соседних ядер урана, развивая самоподдерживающуюся цепную реакцию.

В атомных электростанциях (АЭС) в ядерных реакторах цепная реакция является строго управляемой (коэффициент размножения нейтронов k = 1.000 поддерживается карбид-борными регулирующими стержнями).