Ядерная физика — основы простым языком, конспект для студентов

Этот конспект поможет быстро повторить основы ядерной физики перед экзаменом или разобраться в предмете с нуля.

Строение атомного ядра

Ядро атома состоит из нуклонов: - Протоны (p) — положительно заряженные, масса ~1.007 а.е.м. - Нейтроны (n) — нейтральные, масса ~1.009 а.е.м.

Обозначение ядра: A/Z X, где: - Z — зарядовое число (число протонов) - A — массовое число (протоны + нейтроны) - N = A − Z — число нейтронов

Примеры: ¹H (водород), ⁴He (гелий), ²³⁵U (уран-235), ²³⁸U (уран-238).

Изотопы — ядра с одинаковым Z, но разным N. Например, уран-235 и уран-238 — изотопы урана.

Ядерные силы

Протоны отталкиваются электрически, но ядро не разлетается. Почему? Потому что существуют сильные ядерные силы (сильное взаимодействие).

Свойства ядерных сил: - Действуют на расстоянии ~1–2 фм (10⁻¹⁵ м) - Не зависят от заряда (протон-протон = протон-нейтрон = нейтрон-нейтрон) - Обладают свойством насыщения — каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседями - На очень малых расстояниях (<0.5 фм) становятся отталкивающими

Энергия связи ядра

Энергия связи — это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны.

Формула: E_св = [Z·m_p + N·m_n − M(A,Z)] · c²

Где M(A,Z) — масса ядра, m_p и m_n — массы протона и нейтрона.

Разница масс называется дефект массы: Δm = Z·m_p + N·m_n − M(A,Z)

Удельная энергия связи ε = E_св / A — энергия связи на один нуклон.

Максимум удельной энергии связи (~8.8 МэВ/нуклон) приходится на ядра с A ≈ 56 (железо). Это объясняет, почему: - Деление тяжёлых ядер (уран) выделяет энергию - Синтез лёгких ядер (водород) тоже выделяет энергию

Радиоактивность

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер с испусканием частиц или излучения.

Альфа-распад (α)

Ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия-4: 2 протона + 2 нейтрона).

Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число — на 4
Пример: ²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He
Альфа-частицы задерживаются листом бумаги

Бета-распад (β)

Нейтрон превращается в протон (β⁻) или протон в нейтрон (β⁺).

β⁻: n → p + e⁻ + ν̄ (испускание электрона и антинейтрино)
β⁺: p → n + e⁺ + ν (испускание позитрона и нейтрино)
Пример β⁻: ¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + ν̄

Гамма-излучение (γ)

Ядро переходит из возбуждённого состояния в основное, испуская фотон высокой энергии.

Не меняет Z и A
Часто сопровождает α- и β-распад
Самое проникающее: задерживается свинцом или бетоном

Закон радиоактивного распада

N(t) = N₀ · e^(−λt)

Где: - N₀ — начальное число ядер - λ — постоянная распада - t — время

Период полураспада T₁/₂ = ln2 / λ ≈ 0.693 / λ — время, за которое распадается половина ядер.

Активность A = λ·N — число распадов в секунду (единица: Беккерель, Бк).

Ядерные реакции

Ядерная реакция — взаимодействие ядра с частицей или другим ядром, приводящее к образованию новых ядер.

Запись: a + A → B + b или A(a,b)B

Законы сохранения: - Зарядовое число Z - Массовое число A - Энергия-импульс - Лептонное и барионное числа

Энергия реакции Q = (сумма масс до − сумма масс после) · c² - Q > 0 — экзотермическая (выделяет энергию) - Q < 0 — эндотермическая (поглощает энергию)

Деление ядер

При попадании нейтрона в ядро ²³⁵U оно делится на два осколка + 2–3 новых нейтрона + ~200 МэВ энергии.

²³⁵U + n → осколки + 2–3n + ~200 МэВ

Новые нейтроны могут вызвать деление других ядер → цепная реакция.

k < 1: реакция затухает (подкритическое состояние)
k = 1: стационарная реакция (работа реактора)
k > 1: нарастающая реакция (ядерный взрыв или разгон)

Термоядерный синтез

Слияние лёгких ядер (дейтерий + тритий) при температуре ~100 млн °C.

D + T → ⁴He + n + 17.6 МэВ

Топливо для синтеза — водород (из воды). Энергия на единицу массы в 4 раза больше, чем при делении урана.

Вывод

Основные темы ядерной физики для экзамена: строение ядра, энергия связи, радиоактивность (α, β, γ), закон распада, ядерные реакции, деление и синтез. Если вы разобрались в этих темах — база готова.