Основные понятия и терминология ядерной физики

Ядро атома: структура и характеристики

Понятие атомного ядра

Атомное ядро — это центральная часть атома, содержащая практически всю его массу. Оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, связанных между собой сильным ядерным взаимодействием. Протоны несут положительный электрический заряд, нейтроны электрически нейтральны. Суммарное количество нуклонов в ядре называется массовым числом (A), а число протонов — зарядовым числом (Z), которое одновременно определяет и порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Изотопы

Ядра с одинаковым числом протонов (Z), но различным числом нейтронов называются изотопами. Они принадлежат к одному и тому же химическому элементу, но могут обладать различными ядерными свойствами: стабильностью, временем жизни, типом радиоактивного распада. Например, изотопы водорода: протий (¹H), дейтерий (²H), тритий (³H).

Ядерные силы

Сила, удерживающая нуклоны в ядре, носит название сильного ядерного взаимодействия. Она имеет следующие особенности:

• Короткодействие: действует на расстояниях порядка 1–2 фемтометра.
• Ненасыщаемость: каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседями.
• Зависимость от спина: взаимодействие зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов.
• Отсутствие заряда: сила действует одинаково между протон-протон, протон-нейтрон и нейтрон-нейтрон (в первом приближении).

Эти особенности отличают ядерные силы от электромагнитных и гравитационных.

Ядерная энергия связи

Энергия связи ядра — это энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью расщепить ядро на отдельные нуклоны. Она определяется разностью между суммарной массой нуклонов и массой ядра:

E_св = (Zm_p + (A − Z)m_n − M_яд)c²

где m_p, m_n — массы протона и нейтрона, M_яд — масса ядра, c — скорость света.

Удобно также вводить удельную энергию связи — энергию связи, делённую на число нуклонов. Этот параметр характеризует устойчивость ядра. Максимум удельной энергии связи достигается для элементов в районе железа (Fe), что объясняет энергетическую выгодность как термоядерного синтеза лёгких ядер, так и деления тяжёлых.

Массовый дефект

Массовый дефект — это разность между суммарной массой свободных нуклонов и массой ядра:

Δm = Zm_p + (A − Z)m_n − M_яд

Массовый дефект прямо связан с энергией связи: чем больше дефект, тем прочнее связано ядро.

Стабильность ядер и линия стабильности

Стабильность ядра определяется соотношением между числом нейтронов и протонов. Для лёгких элементов устойчивы ядра с примерно равным числом протонов и нейтронов. По мере увеличения Z для устойчивости требуется избыток нейтронов (пример: свинец-208: 82 протона, 126 нейтронов). График стабильных изотопов в координатах N–Z формирует так называемую линию стабильности.

Нестабильные ядра стремятся приблизиться к этой линии через радиоактивные превращения.

Радиоактивность

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение нестабильных ядер с испусканием элементарных частиц или квантов электромагнитного излучения. Основные виды радиоактивного распада:

• α-распад — испускание ядра гелия-4 (⁴He).
• β⁻-распад — превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино.
• β⁺-распад — превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
• Электронный захват — захват ядром собственного электронного облака.
• γ-излучение — испускание фотонов при переходе ядра в более низкое энергетическое состояние.

Каждому радиоактивному изотопу соответствует период полураспада — время, за которое распадается половина начального количества ядер. Этот параметр варьируется от долей секунд до миллиардов лет и используется для датирования образцов и мониторинга ядерных процессов.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — это процесс взаимодействия ядер или ядер и частиц, сопровождающийся перераспределением нуклонов. Обозначается в виде схемы:

A + a → B + b

где A — исходное ядро, a — налетающая частица, B — образующееся ядро, b — испускаемая частица.

Пример:

³H + ²H → ⁴He + n + 17.6 МэВ

Важными характеристиками ядерной реакции являются:

• Пороговая энергия — минимальная энергия, необходимая для реакции.
• Сечение реакции — вероятность протекания реакции, выражаемая в барнах (1 барн = 10⁻²⁴ см²).
• Коэффициенты выхода — отношение числа произошедших реакций к числу налетающих частиц.

Деление и синтез

Два фундаментальных типа ядерных преобразований:

• Деление — расщепление тяжёлых ядер (например, урана-235 или плутония-239) на два более лёгких ядра с выделением нейтронов и большого количества энергии (~200 МэВ).
• Синтез — слияние лёгких ядер (в основном изотопов водорода) в более тяжёлые, также с выделением энергии (как в звёздах и на Солнце).

В обоих случаях источником энергии служит разность энергий связи до и после реакции.

Модели ядра

Для описания свойств ядер разработаны различные модели:

• Капельная модель — рассматривает ядро как каплю несжимаемой жидкости, учитывая объемную, поверхностную, кулоновскую и парную энергии.
• Оболочечная модель — предполагает существование энергетических уровней для нуклонов, аналогично электронной оболочке атома. Позволяет объяснить устойчивость ядер с “магическими числами” (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).
• Коллективные модели — учитывают деформации ядра, вращения и колебания как целого объекта.

Каждая из этих моделей применима к разным аспектам и типам ядерных процессов.

Единицы измерения в ядерной физике

• Масса: атомные единицы массы (а.е.м.) $1\ \text{а.е.м.} = \frac{1}{12} m({}^{12}\text{C}) \approx 1.6605 \times 10^{-27}\ \text{кг}$
• Энергия: электронвольт (эВ), мэВ, МэВ, ГеВ 1 эВ = 1.602 × 10⁻¹⁹ Дж
• Время: секунды, часто используются логарифмические шкалы
• Длина: фемтометр (1 фм = 10⁻¹⁵ м) — характерный масштаб ядра
• Сечение: барн (1 б = 10⁻²⁸ м²)

Основные понятия и обозначения

Обозначение	Описание
Z	Число протонов (зарядовое число)
N	Число нейтронов
A	Массовое число: A = Z + N
Δm	Массовый дефект
Eсв	Энергия связи ядра
τ	Среднее время жизни
T1/2	Период полураспада
σ	Сечение реакции
Q	Энергия, выделяющаяся в реакции

Формирование основного понятийного аппарата — ключ к дальнейшему изучению ядерной физики. Владение терминологией и точными определениями является базой для понимания процессов, происходящих на уровне атомного ядра, и для дальнейшего применения знаний в областях энергетики, медицины, астрофизики и ядерных технологий.