Ядерна Фізика

Я́дерна фі́зика — розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (в тому числі радіоактивний розпад).

Задачі, що виникають в ядерній фізиці — це типовий приклад задач декількох тіл. Ядра складаються з нуклонів (протонів і нейтронів), і в типових ядрах містяться десятки і сотні нуклонів. Це число дуже велике для точно розв'язуваних задач, але все-таки дуже мале для того, щоб можна було користуватися методами статистичної фізики. Це і призвело до великої різноманітності різних моделей атомних ядер.

Загальні відомості про ядра атомів

Число протонів в ядрі (число заряду, також порядковий номер елементу) прийнято позначати через Z, число нейтронів — через N. Їх сума A = Z + Nназивається масовим числом ядра. Атоми з однаковим Z (тобто атоми одного і того ж елементу), але з різними N називаються ізотопами, з однаковими A, але з різними Z — ізобарами, з однаковими N, але з різними Z — ізотонами.

Основна відмінність між протоном і нейтроном полягає в тому, що протон — заряджена частинка, заряд якої e = 4,803×10⁻¹⁰ од. СГС = 1,602×10⁻¹⁹ Кл. Цеелементарний заряд, чисельно рівний заряду електрона. Нейтрон же, як і показує його назва, електрично нейтральний. Спіни протона і нейтрона однакові і рівні спіну електрона, тобто 1/2 (в одиницях зведеної сталої Планка ). Маси протона і нейтрона майже однакові: 1836,15 і 1838,68 мас електрона відповідно.

Протон і нейтрон не є елементарними частинками. Вони складаються з двох типів кварків — d-кварка із зарядом —1/3 і u-кварка із зарядом +2/3 від елементарного заряду е. Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка (сумарний заряд +1), а нейтрон з одного u-кварка і двох d-кварків (сумарний заряд — 0). Вільний нейтрон — частинка нестабільна. Він розпадається через 15 хвилин після свого виникнення на протон, електрон і антинейтрино (див.Бета-розпад нейтрона). В ядрі нейтрон знаходиться в глибокій потенційній ямі, тому його розпад може бути заборонений законами збереження.

Методи дослідження та підрозділи

Вивчення будови ядра та його складових елементів можливе тільки за допомогою вивчення ядерних реакцій. Для проведення ядерних реакцій необхідні засоби прискорення й детектування частинок. Тому невід'ємними підрозділами ядерної фізики є фізика прискорювачів і фізика детекторів.

Радіаційна фізика та радіаційне матеріалознавство є міждисциплінарними підрозділами фізики, які вивчають вплив ядерного випромінювання на властивості опромінених речовин і методи модифікації властивостей матеріалів за допомогою опромінення.

Значення

Ядерна фізика має принципове значення для багатьох розділів астрофізики (первинний нуклеосинтез, термоядерні реакції в зорях як під час життя на головній послідовності, так і при сході з неї), і, очевидно, для ядерної енергетики.

Історія

Перше явище з області ядерної фізики було відкрите 1896 року Анрі Беккерелем. Це природна радіоактивність солей урану, що виявляється в спонтанному випромінюванні невидимого проміння, здатного викликати іонізацію повітря і почорніння фотоемульсій. Через два роки П'єр Кюрі і Марія Склодовска-Кюрі відкрили радіоактивність торію і виділили з солей урану полоній і радій, радіоактивність яких виявилася в мільйони раз сильнішою від радіоактивності урану і торію.

Детальне експериментальне вивчення радіоактивних випромінювань було проведено Резерфордом. Він показав, що радіоактивні випромінювання складаються з трьох типів проміння, названих, відповідно α—, β— і γ-променями. Бета-промені складаються з негативних електронів, альфа-промені — з позитивно заряджених частинок (альфа-частинок, які, як з'ясувалося дещо пізніше, є ядрами гелію-4), гамма-промені аналогічні променям Рентгена (не мають заряду), тільки значно жорсткіші, тобто з меншою довжиною хвилі.

Ядерна природа радіоактивності стала зрозуміла Резерфорду після того, як у 1911 він запропонував планетарну модель атома і встановив, що радіоактивні випромінювання виникають у результаті процесів, що відбуваються всередині атомного ядра.

Довгий час вважалося, що ядро складається з протонів і електронів. Проте така модель знаходилася в суперечності з експериментальними фактами, щодоспінів і магнітних моментів ядер. У 1932 після відкриття Джеймсом Чедвіком нейтрона було встановлено, що ядро складається з протонів і нейтронів. Ці частинки отримали загальну назву нуклонів.

В останні роки вимальовується шанс описати властивості принаймні легких ядер у строгій картині кіральної квантової теорії поля.