Атомная и ядерная физика

Резерфорд пропускал α-частицы через тонкую золотую фольгу. Большинство частиц проходило почти без отклонения, и лишь немногие рассеивались на большие углы. Вывод: положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень малом ядре (оно меньше атома примерно в $10^4$–$10^5$ раз). По планетарной модели электроны обращаются вокруг ядра, как планеты.

По законам классической физики вращающийся электрон должен излучать и упасть на ядро. Это противоречие устранили постулаты Бора:

1. Атом может находиться только в особых стационарных состояниях, в которых он не излучает; каждому состоянию соответствует энергия $E_n$.
2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом испускает или поглощает один фотон: $h\nu=E_k-E_n$.

При переходе с верхнего уровня на нижний свет испускается, для перехода вверх фотон поглощается. Уровни энергии у каждого элемента свои, отсюда и свой линейчатый спектр.

Возбуждённый атом может излучить самопроизвольно. Но фотон с энергией $E_k-E_n$, пролетая мимо возбуждённого атома, может заставить его излучить: это вынужденное излучение. Новый фотон имеет ту же частоту, фазу, направление и поляризацию, что и исходный.

В лазере активной среде сообщают энергию извне, и на верхнем уровне оказывается больше атомов, чем на нижнем (инверсная населённость). Два зеркала многократно проводят фотоны через среду, и при каждом проходе излучение усиливается. Лазерный луч монохроматичен, когерентен, узконаправлен и имеет большую плотность мощности. Применение: резка и сварка металлов, глазная хирургия, волоконно-оптическая связь, точное измерение расстояний, голография.

Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов. В записи $^{A}_{Z}X$ число $Z$ — число протонов (порядковый номер), $A$ — массовое число, $N=A-Z$ — число нейтронов. Нуклоны удерживают короткодействующие и очень мощные ядерные силы.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называют изотопами: $^1_1\text{H}$, $^2_1\text{H}$ (дейтерий), $^3_1\text{H}$ (тритий); $^{235}_{92}\text{U}$ и $^{238}_{92}\text{U}$. Химические свойства изотопов одинаковы.

Масса ядра меньше суммы масс свободных нуклонов, из которых оно состоит. Разность — дефект масс: $\Delta m=Zm_p+Nm_n-M$, где $M$ — масса ядра. Энергия, нужная для разделения ядра на отдельные нуклоны, — энергия связи: $E_{\text{св}}=\Delta m\,c^2$; дефекту масс 1 а. е. м. соответствует 931,5 МэВ. Энергия связи на один нуклон $\dfrac{E_{\text{св}}}{A}$ — удельная энергия связи. Она наибольшая у ядер с массовым числом 50–60 (железо), около 8,8 МэВ. Поэтому деление тяжёлых ядер и синтез лёгких идут с выделением энергии.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение неустойчивых ядер в другие ядра с испусканием излучения.

• α-лучи — ядра гелия ($^4_2\text{He}$); ионизирующая способность наибольшая, проникающая наименьшая: их задерживает лист бумаги.
• β-лучи — быстрые электроны; их задерживает слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.
• γ-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение; не имеют заряда, проникающая способность наибольшая.

В магнитном поле α- и β-лучи отклоняются в противоположные стороны, γ-лучи не отклоняются.

Правило смещения: при α-распаде $^A_ZX\to{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^4_2\text{He}$; при β-распаде $^A_ZX\to{}^{A}_{Z+1}Y+{}^{\;\,0}_{-1}e$ (в ядре нейтрон превращается в протон); при γ-излучении $A$ и $Z$ не меняются.

Закон радиоактивного распада: $N=N_0\cdot2^{-t/T}$, где $T$ — период полураспада, время, за которое распадается половина ядер.

Частицы регистрируют счётчиком Гейгера (частица ионизирует газ и вызывает короткий разряд) и камерой Вильсона (пересыщенный пар конденсируется на ионах и показывает след частицы).

В ядерных реакциях сохраняются заряд (сумма $Z$) и массовое число (сумма $A$), например: $^{14}_{7}\text{N}+{}^4_2\text{He}\to{}^{17}_{8}\text{O}+{}^1_1\text{H}$.

Деление ядра урана: $^{235}_{92}\text{U}$, поглотив нейтрон, делится на два осколка, испускает 2–3 нейтрона, выделяется около 200 МэВ. Новые нейтроны делят другие ядра — идёт цепная реакция. Коэффициент размножения нейтронов $k$ — отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем: при $k=1$ реакция управляемая, при $k>1$ — взрывная, при $k<1$ затухает. Наименьшая масса, при которой возможна цепная реакция, — критическая масса. В ядерном реакторе есть урановое топливо, замедлитель нейтронов (вода, графит), регулирующие стержни, поглощающие нейтроны (бор, кадмий), теплоноситель и защитная оболочка.

Термоядерные реакции — слияние лёгких ядер при температуре в десятки миллионов кельвинов: $^2_1\text{H}+{}^3_1\text{H}\to{}^4_2\text{He}+{}^1_0n+17{,}6$ МэВ. Так выделяется энергия Солнца.

Ионизирующее излучение повреждает живые клетки. Поглощённая доза $D=\dfrac Em$ — энергия, поглощённая единицей массы, единица — грей: 1 Гр = 1 Дж/кг. Защита: расстояние, малое время, экран. Электрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино — элементарные частицы; у каждой есть античастица (у электрона — позитрон).