Ядерна фізика

У сучасній фізиці є рік, що називають «роком чудес». Це 1932-й рік. Одним з таких «чудес» цього року було відкриття нейтрона і створення нейтронно-протонної моделі атомного ядра. У результаті відбулося виділення з атомної фізики самостійного, що бурхливо розвивається напрямку – ядерної фізики.

Ядерна фізика вивчає структуру і властивості атомних ядер. Вона досліджує також взаємоперетворення атомних ядер, що відбуваються в результаті як радіоактивних розпадів, так і різних ядерних реакцій. До ядерної фізики тісно примикає фізика елементарних часток, фізика і техніка прискорювачів заряджений часток, ядерна енергетика.

Все в світі складається з молекул, які представляють собою складні комплекси взаємодіючих атомів. Молекули це найменші частки речовини, які зберігають його властивості. В склад молекул входять атоми різних хімічних елементів. Атом - будівельний матеріал природи. Якщо покласти сто мільйонів атомів рядом, то довжина такого рядка становитиме 1 дюйм (2,54 см). Атоми складаються переважно з порожнього простору. Центр атома - це протони і нейтрони, які разом утворюють ядро, а в ядрі зосереджена більша частина ваги атома. Якби речовина складалася тільки із самих щільно спресованих атомних ядер, то монета завбільшки з пенні важила б сорок мільйонів тонн. Однак ядро займає всього одну стотисячну частину об’єму атома. Решта об’єму - простір і крихітні електрони, які кружляють довкола ядра так само, як планети кружляють довкола сонця.

Матерія складається з атомів, але не всі атоми однакові. Головна різниця полягає в кількості протонів і нейтронів, які утворюють ядро. Наприклад, атом водню завжди має один протон, кисню -вісім, а урану - дев’яносто два протони. В кожному атомі кількість електронів, що кружляють довкола ядра, і кількість протонів однакова. Однак кількість нейтронів у атомах одного і того самого елемента може бути різна. Наприклад, тоді як уран має дев’яносто два протони, один тип атома урану має 143 нейтрони, а ще один - 146. Ці ізотопи (так називаються різні типи одного і того самого елемента) відомі як уран 235 і уран 238 (92 протони плюс 143 нейтрони дорівнює 235, а 92 протони плюс 146 нейтронів дорівнює 238).

Кожен атом утримується від розпаду силою, яку фізики називають „великою силою” - найдужчою в природі, силою, яка донедавна унеможливлювала розщеплення атома. „Мені здається, - писав Ісаак Ньютон 1704 року, - що спершу бог створив речовину у вигляді твердих мас - непроникних рухомих частинок, таких твердих, що їх неможливо розбити на шматки, звичайна сила нездатна зруйнувати, розірвати те, що створив сам бог”.

Ньютон, ясна річ, не мав справи з фізикою на атомному рівні, але все ж його погляд домінував над усіма іншими протягом сторіч. Фізики ХІХ сторіччя, виходячи з його логіки, розвинули теорію, згідно з якою маса і енергія являють собою окремі закриті системи, причому ні маса, ні енергія не можуть бути створені чи зруйновані. У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував свої погляди на це питання. Досліджуючи властивості маси, часу та простору, він висунув думку про те, що інертна маса містіть велику кількість потенційної енергії, яку можна звільнити, зруйнувавши структуру, тобто розщепивши основні структурні одиниці. Далі він висунув думку про те, що протягом цього процесу певна кількість речовини перетворюється на енергію і що утворена кількість енергії дорівнює кількості втраченої маси, помноженої на квадрат швидкості світла: Е=mc2. Енергію можна створити: речовину можна зруйнувати.

Однак на початку то була всього-на-всього теорія. Ніхто, в тому числі і сам Ейнштейн, не міг тоді втілити її в життя. Тільки у 1938 році фізики встановили, що коли атом урану-238 бомбардувати нейтронами, то їхні ядра внаслідок удару розщеплюються, вивільнюючи при цьому енергію. Навіть більше, під час розщеплення ядер їхні нейтрони вистрілюються з великою швидкістю в напрямку найближчих атомів спричиняючи розщеплення сусідніх атомів. Отож фізики зробили такий висновок: якщо взяти достатню кількість атомів урану і спричинити їх розщеплення, то почнеться ланцюгова реакція - швидке розщеплення одного за одним атомів, яке триває доти, доки вичерпається запас урану. Протягом цього процесу вивільнюється величезна кількість енергії і теплота горіння ядерного палива в мільйони разів більше, ніж звичайного палива.

Досліджуючи атомне ядро, ядерна фізика використовує різні теоретичні моделі, що можуть показатися суперечними один одному. Німецький фізик М. Борн запропонував у 1936 р. гідродинамічну модель атомного ядра, відповідно до якої ядро уподібнюється краплі зарядженої щільної рідини, що складає з інтенсивно взаємодіючих між собою нуклонів (нейтронів і протонів).Як і в краплі звичайної рідини, поверхня краплі-ядра може коливатися, що при деяких умовах приводить до розвалу ядра. Американський фізик М. Гепперт-Майер і одночасно німецький фізик И. Йенсен розробили в 1950 р. оболонкову модель атомного ядра, у якій нуклони ядра рухаються незалежно друг від друга в деякім усередненому полі ядерної сили. Подібно електронам в атомі, нуклони заповнюють різні оболонки, кожна з який характеризується визначеним значенням енергії. Прагнучи примирити взаємно виключають вихідні положення гідродинамічної й оболонкової моделей, датські фізики О. Бор і Б. Моттельсон, а також американський фізик Дж. Рейнуотер розробили на початку 1950-х рр. так називану узагальнену модель атомного ядра. Відповідно до цієї моделі, ядро складається із серцевини – стійкої внутрішньої частини (нуклони цілком заповнених оболонок) і «зовнішніх» нуклонів, що рухаються в поле, створюваному нуклонами серцевини. Під впливом зовнішніх нуклонів серцевина ядра може деформуватися, приймаючи форму витягнутого чи, навпроти, сплюсненого еліпсоїда; може випробувати коливання.