Ядерная физика

Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, и механизмы ядерных реакций (в том числе радиоактивный распад).
Задачи, возникающие в ядерной физике, – это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но все же слишком мало для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.
Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов – через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но с разными N называются изотопами, с одинаковыми A, но различными Z – изобарами, с одинаковыми N, но различными Z – изотонами.
Основное отличие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон – заряженная частица, заряд которой e = 4,803 x 10 -10 ед. СГС = 1,602 x 10 -19 Кл. Это элементарный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, т. е. 1 / 2 (в единицах сводной постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.
Протон и нейтрон не являются элементарными частицами. Они состоят из двух типов кварков – d-кварка с зарядом -1 / 3 и u-кварка с зарядом +2 / 3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд +1), а нейтрон из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд – 0). Свободный нейтрон – частица нестабильная. Он распадается через 15 минут после своего возникновения на протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона). В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещен законами сохранения.
Изучение строения ядра и его составных элементов возможно только с помощью изучение ядерных реакций. Для проведения ядерных реакций необходимы средства ускорения и детектирования частиц. Поэтому неотъемлемыми подразделениями ядерной физики является физика ускорителей и физики детекторов.
Радиационная физика и радиационное материаловедение являются междисциплинарными подразделениями физики, изучающие влияние ядерного випровминювання на свойства облученных веществ и методы модификации свойств материалов с помощью опроминнення.
Ядерная физика имеет принципиальное значение для многих разделов астрофизики (первичный нуклеосинтез, термоядерные реакции в звездах как во время жизни на главной последовательности, так и при сходе с нее), и, очевидно, для ядерной энергетики.
Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызвать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.
Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех типов лучей, названных, соответственно ?-?-и ?-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательных электронов, альфа-лучи – из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.
Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.
Долгое время предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитных моментов ядер. В 1932 г. после открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона было установлено, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов.
В последние годы вырисовывается шанс описать свойства мере легких ядер в строгой картине киральнои квантовой теории поля.