Файл: Ядерная физика - уч. пособие Мухачев.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

В. А. Мухачев

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Учебное пособие

Томск

«Эль Контент»

2014

УДК

539.1(075.8)

ББК

22.38я73
М 923

Рецензенты:

Коханенко А. П., профессор кафедры квантовой электроники и фотоники

радиофизического факультета Национального исследовательского Томского

государственного университета;

Троян П. Е., профессор, зав. кафедрой физической электроники ТУСУРа.

Мухачев В. А.

М 923

Ядерная физика : учебное пособие / В. А. Мухачев. — Томск : Эль Кон-

тент, 2014. — 72 с.

ISBN 978-5-4332-0189-7

В пособии рассмотрены основные характеристики атомного ядра: со-

став, модели строения ядер, свойства ядерных сил, масса и энергия связи
ядер. Достаточно подробно изложены закон радиоактивного распада и за-
кон изменения активности ядер, виды распадов и их характеристики, эф-
фект Мёссбауэра.

Рассмотрены ядерные реакции: основные закономерности, реакции де-

ления тяжелых ядер и слияния легких ядер; проблемы, возникающие при
протекании этих реакций.

Изложены история открытия, свойства и типы элементарных частиц,

характеристика взаимодействий между ними. Кратко рассмотрены един-
ство природы электромагнитных и слабых взаимодействий, кварковая мо-
дель строения адронов, фундаментальные фермионы.

УДК

539.1(075.8)

ББК

22.38я73

ISBN 978-5-4332-0189-7

© Мухачев В. А., 2014

© Оформление.

ООО «Эль Контент», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

5

1

Атомное ядро

7

1.1

Состав ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2

Характеристики атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3

Размеры ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.4

Спин ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.5

Масса и энергия связи ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.6

Модели атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.7

Ядерные силы. Основные свойства ядерных сил . . . . . . . . . . . . .

14

2

Радиоактивность

18

2.1

Закон радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.2

Атомные часы. Радиоуглеродный метод измерения времени . . . . . .

21

2.3

Активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.4

Виды распадов ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.4.1

α-распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.2

β-распад ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4.3

γ-распад ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.4

Эффект Мёссбауэра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3

Ядерные реакции

32

3.1

Общие положения. Пороговая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.2

Деление ядер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.3

Термоядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.3.1

Проблемы управляемой термоядерной реакции . . . . . . . . .

39

3.3.2

Термоядерные реакции в звездах . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4

Элементарные частицы

45

4.1

История открытия элементарных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.2

Свойства и типы элементарных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.3

Реакции взаимодействия элементарных частиц . . . . . . . . . . . . . .

48

4.4

Характеристика взаимодействий элементарных частиц . . . . . . . . .

49

4.4.1

Гравитационное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.4.2

Электромагнитное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.4.3

Сильное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

4.4.4

Слабое взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.5

Единство природы электромагнитных и слабых взаимодействий . . .

54

4.6

Кварковая модель строения адронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.7

Итоговые замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

4

Оглавление

Заключение

64

Литература

65

Приложение А

66

Глоссарий

68

ВВЕДЕНИЕ

В 1911 году Э. Резерфорд (1871–1937 гг.) совместно с Г. Гейгером (1882–1945 гг.)

и Э. Марсденом (1889 –1970 гг.) опубликовал статью, в которой на основании экс-
периментов по рассеянию

α-частиц тонкими металлическими фольгами обосновал

планетарную модель строения атома. По этой модели в центре атома находится яд-
ро, содержащее более 99% массы атома. Резерфордом же была открыта элементар-
ная частица — протон, входившая в состав ядра (1919 г.). В одной из своих лекций
Резерфорд предсказал, что должна существовать частица, близкая по массе к про-
тону, но не имеющая электрического заряда. В 1932 г. ученик Резерфорда Д. Чедвик
(1891–1974 гг.) открыл такую частицу (она была названа нейтроном) в излучении,
возникающем при бомбардировке

α-частицами бериллия. (Следует отметить, что

еще в 1931 г. Бете и Беккер, а затем Ирен и Фредерик Жолио-Кюри проводили
подобные эксперименты, наблюдали сильно проникающее излучение — от него не
защищал даже толстый свинец — но интерпретировали его как

γ-излучение боль-

шой энергии.)

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пикто-

граммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная ин-
формация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поде-
литься с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых
ошибок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .