Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Історію ядерної фізики прийнято відліковувати з 1896 р. У цьому році Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності, яке не можна було пояснити на основі тогочасних уявлень про будову атома.

На початку 30-х років ХХ ст. було досліджено структуру атомного ядра й розроблено його модель, яку й донині використовують для пояснення процесів мікросвіту. Згідно з цією моделлю, до складу ядра атома входять частинки двох видів — протони та нейтрони. (Надалі ми частіше вживатимемо термін «частинки», але не забуваймо, що ці частинки мають і хвильові властивості.)

Протон (позначається р) — стабільна елементарна частинка. З одного протона складається ядро атома Гідрогену. Протон має елементарний позитивний заряд е = 1,6 · 10-19 Кл.

Нейтрон (позначається n) — електрично нейтральна частинка. Нейтрон — стабільна частинка лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон — нестабільна частинка, яка розпадається на інші частинки.

Нейтрони та протони як складові частинки атомного ядра мають спільну назву — нуклони.

Оскільки атом в цілому електронейтральний, а заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то кількість протонів Z у ядрі дорівнює кількості електронів в атомній оболонці. Число Z в атомному ядрі визначає атомний номер і його місце в таблиці Менделєєва. Кожне атомне ядро характеризується зарядом Ze, масою mя і масовим числом А, що дорівнює кількості нуклонів у ядрі, А = N + Z, де N — кількість нейтронів, Z — кількість протонів.

У ядрі зосереджена майже вся (понад 99,95 %) маса атома. Маси ядер прийнято вимірювати в атомних одиницях маси (а. о. м.). Маса протона mр = 1,672617 · 10-27 кг = 1,00728 а. о. м. Маса нейтрона mn = 1,674920 · 10-27 кг = 1,00866 а. о. м. (Згідно з формулою взаємозв'язку маси-енергії E = mc2 маси ядер також вимірюють одиницями енергії — електрон-вольтами.)

Дослідженнями доведено, що загальна маса ядра завжди менша від суми мас частинок, з яких воно складається, тобто Мя < Zmp + Nmn. Різницю між сумою мас нуклонів (нейтронів і протонів), які входять до складу ядра, і масою ядра називають дефектом маси Δm. Дефект маси визначає енергію зв'язку: що більший дефект маси, то більша енергія зв'язку й стійкіше ядро.

Енергія зв'язку ядра визначається роботою, яку потрібно виконати, щоб розділити ядро на окремі частинки й віддалити їх одну від одної на таку відстань, на якій їхньою взаємодією можна нехтувати.

Якби не було дефекту маси, то ядро розпалося б на нуклони самостійно, без виконання роботи. Для забезпечення стабільності ядра його маса має бути меншою від суми мас його нуклонів.

Питомою енергією зв'язку називають енергію зв'язку, яка припадає на один нуклон.

На малюнку 199, с. 230 наведено криву залежності питомої енергії зв'язку від масового числа для стабільних ядер. Як видно з малюнка, питома енергія зв'язку спочатку зростає зі збільшенням масового числа, досягає насичення (близько 8 МеВ/нуклон для А ≈ 15) і для А > 60 крива повільно спадає. Питома енергія зв'язку має максимум (приблизно 8,8 МеВ) для А ≈ 56. Максимум кривої відповідає найстабільнішим ядрам.

Сильна взаємодія, сильна ядерна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна, гравітаційна і слабка взаємодія.

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10⁻¹⁵ м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії за сучасними уявленнями є глюони. Їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

Сильна ядерна взаємодія була вперше описана японським вченим-фізиком Хідекі Юкава в 1935 з використанням обмінних частинок — мезонів. Сучасний опис сильної взаємодії дає квантова хромодинаміка. Квантова хромодинаміка входить у так звану Стандартну модель, яка є сумою сучасних уявлень про будову мікросвіту, хоча й не може претендувати на завершене знання, оскільки не пояснює результатів деяких експериментів і не включає в себе теорію гравітації.

Частинки, що складаються з кварків, і які можуть взаємодіяти сильно називаються адронами.

Ядерні реакції — процес перетворення атомних ядер унаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або з іншими ядрами.

Як видно з визначення, ядерні реакції зумовлюються зовнішніми чинниками. Частинки високої енергії (α, β, n, p), зіткнувшись із ядром, можуть спричинити різноманітні перетворення.

Залежно від виду частинок, якими бомбардується ядро хімічного елемента, від енергії цих частинок, а також від виду бомбардованих ядер можуть відбуватись різні ядерні реакції. Розрізняють такі типи ядерних реакцій.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту, зокрема шляхом термоядерних реакцій сформувались хімічні елементи. Енергія випромінювання зір — це енергія термоядерних реакцій, що відбуваються в їхніх надрах. Для Сонця основною реакцією є перетворення чотирьох протонів на ядро атома Гелію, що супроводжується виділенням енергії понад 26 МеВ за один цикл.

У земних умовах отримати температуру, за якої можлива термоядерна реакція, можна, лише застосувавши ядерний вибух (на цьому ґрунтується принцип дії водневої бомби) або потужний імпульс лазерного випромінювання (керована термоядерна реакція синтезу).

Енергетичний вихід ядерної реакції. Під час ядерних реакцій обов'язково виконуються закони збереження (електричного заряду, енергії, імпульсу та моменту імпульсу, кількості нуклонів). На основі закону збереження і перетворення енергії можна розрахувати енергетичний вихід ядерної реакції.

Енергетичний вихід ядерної реакції Евих — це енергія, яка виділяється як продукт реакції (або затрачається для здійснення реакції). Вона дорівнює різниці енергій спокою всіх ядер і частинок до та після реакції.

Евих = Δmc2, де Δm — дефект маси, який можна розрахувати як різницю між сумою мас спокою ядер і частинок до та після ядерної реакції. Якщо сумарна маса продуктів реакції менша від суми мас вихідних ядер, то реакція супроводжується виділенням енергії — у вигляді кінетичної енергії утворених частинок. Якщо ж сумарна маса продуктів реакції більша за сумарну масу вихідних ядер, то така реакція для свого перебігу потребує енергетичної підтримки.

Термоядерна реакція — реакція синтезу (злиття) легких ядер. У результаті вимушеного зближення між ядрами виникають сили притягання, достатні для втримання ядер. У такий спосіб утворюється новий елемент. У природі такі процеси відбуваються в зірках. На цих реакціях ґрунтується принцип дії водневої бомби.

У реакціях синтезу виділяється енергії більше, ніж при діленні важких ядер. При синтезі 400 грамів гелію звільняється енергія, еквівалентна 10 400 тонам вугілля, або 2 грами дейтерію дають 1013 джоуль енергії.

Але досі на Землі не вдалося здійснити керовану термоядерну реакцію, тому що для зближення ядер атомів на близькі відстані необхідна велика енергія. Єдина можливість – це перевести речовину в стан плазми, а потім збільшити температуру плазми настільки, щоб ядра почали взаємодіяти. Але поки що на Землі не знайдено матеріалу, який би витримав температуру у 10 у 7 степені кельвінів. Некерована реакція синтезу вибухового типу була використана у водневій бомбі.

Створення керованої термоядерної реакції є генеральним напрямом енергетики майбутнього.

Одним з найбільш переконливих доказів складної будови атомів стало відкрите в 1896 р. французьким фізиком Антуаном Беккерелем явище природної радіоактивності. Унаслідок спостереження за великою кількістю радіоактивних перетворень поступово з'ясувалося, що є речовини, які мають різні радіоактивні властивості (тобто розпадаються по-різному), але цілком однакові за хімічними властивостями. На цій підставі Фредерік Содді в 1911 р. висловив припущення про можливість існування елементів з однаковими хімічними властивостями, які, однак, відрізняються іншими властивостями (зокрема щодо радіоактивності). Ці елементи треба ставити в одну й ту саму чарунку періодичної системи Менделєєва. Фредерік Содді назвав такі елементи ізотопами (тобто такими, що займають однакові місця).

Атомні ядра з однаковим Z, але різними кількостями нейтронів N називаються ізотопами.

Радіоактивність — це спонтанне перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.

Радіоактивний розпад ядер (радіоактивність) є властивістю самого атомного ядра; на швидкість протікання цього процесу не впливають зовнішні фактори (температура, тиск, електричне або магнітне поля тощо).

Радіоактивність нестабільних ізотопів, що трапляються в природі, називають природною. Штучна радіоактивність — це радіоактивність нестабільних ізотопів, отриманих у лабораторних умовах як продукти штучних перетворень атомних ядер.

Види радіоактивного випромінювання. Дослідження Антуана Беккереля, Ернеста Резерфорда, П'єра Кюрі, Марії Склодовської-Кюрі та інших учених показали, що радіоактивне випромінювання є трьох видів. Вони були названі умовно першими трьома літерами грецького алфавіту: α-, β-, γ-випромінювання.

Дослідження методом відхилення в магнітному полі, проведені Склодовською-Кюрі, а згодом й Резерфордом, показали, що радіоактивне випромінювання має різний електричний заряд: α-частинки — позитивний, β-частинки — негативний і γ-промені електрично нейтральні. Детальні дослідження радіоактивного випромінювання підвели до з'ясування його природи.

β-частинки — це потік швидких електронів. Швидкості β-частинок можуть наближатись до швидкості світла й сягати 0,999 · с. На відміну від α-частинок, β-частинки даної радіоактивної речовини мають не однакові значення енергії. Енергія β-частинок може набувати значення від 0 до деякого максимального значення (характерного для даного хімічного елементу). Унаслідок відносно малої маси β-частинки розсіюються в речовині, їхні траєкторії мають покручений вигляд, для них не існує певної довжини вільного пробігу. Щоб затримати β-частинки, потрібен шар металу завтовшки близько 3 мм.

Альфа- й бета-розпади. Радіоактивне випромінювання є продуктом самодовільного розпаду атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випускають лише α-частинки, інші — β-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають обидва види випромінювання. Зауважимо, що γ-промені, як правило, не є самостійним типом радіоактивності, воно супроводжує α- і β-розпади.

Закон радіоактивного розпаду. Макроскопічний зразок радіоактивного ізотопу містить величезну кількість радіоактивних ядер. Ці ядра розпадаються не одночасно, а протягом деякого часу. Процес розпаду має випадковий характер: ми не можемо точно передбачити, коли розпадеться певне ядро. Проте, використовуючи теорію ймовірності, ми можемо визначити, скільки ядер розпадеться протягом деякого часу. Іншими словами, кількість розпадів ΔΝ (або ядер, які розпались), що відбуваються протягом малого інтервалу часу Δt, є пропорційною цьому інтервалу Δt та повній кількості ядер N

Пошук способів перетворення й використання енергії є не просто проблемою дослідження науковців. Енергонезалежність, енергетична безпека є однією з найважливіших проблем внутрішньої та зовнішньої політики держав. Розвиток людського суспільства нерозривно пов'язаний з використанням природних ресурсів нашої планети, зі споживанням різних видів енергії у дедалі більших масштабах. Усі здобутки сучасної цивілізації можливі завдяки тій величезній кількості штучної енергії, яку виробляє людство. Виробництво теплової та електричної енергії ґрунтується на процесі спалювання копалин-енергоресурсів — вугілля, нафти, газу. Завдяки науковим дослідженням людина дістала у своє розпорядження величезну силу, нове могутнє джерело енергії, закладене в ядрах атомів, — ядерну енергію. В історії людства не було наукової події, більш визначної за своїми наслідками, ніж відкриття ділення ядер урану.

Для України атомна (ядерна) енергетика є стратегічно важливим елементом енергозабезпечення. Сьогоднішній і прогнозований внесок її становить близько 55 % електроенергії, що виробляється в країні. За кількістю ядерних реакторів Україна посідає дев'яте місце у світі та третє в Європі. В Україні діють 4 атомні електростанції з 15 енергоблоками, одна з яких — Запорізька АЕС, яка із 6 енергоблоками загальною потужністю в 6000 МВт, є найпотужнішою в Європі.

Атомна енергетика України Успішне функціонування атомної енергетики – одна з необхідних умов забезпечення національної безпеки країни.