Перегляд вихідного коду сторінки Ядерна фізика

{{unibox}}'''Я́дерна фі́зика'''&nbsp;— розділ [[фізика|фізики]], який вивчає структуру і властивості [[атом]]них [[Ядро (атом)|ядер]], та механізми [[ядерна реакція|ядерних реакцій]] (зокрема, [[радіоактивний розпад]]).

Задачі, що виникають у ядерній фізиці&nbsp;— це типовий приклад задач декількох тіл. Ядра складаються з нуклонів ([[протон]]ів і [[нейтрон]]ів). У типових ядрах містяться десятки та сотні нуклонів. Це число дуже велике для точно розв'язуваних задач, але все ж дуже мале для того, щоб можна було користуватися методами статистичної фізики. Це і зумовило велике розмаїття моделей атомних ядер.

== Загальні відомості про ядра ==
Число протонів у ядрі (''число заряду'', також ''порядковий номер елементу'') заведено позначати через ''Z'', число нейтронів&nbsp;— через ''N''. Їх сума ''A = Z + N'' називається ''[[масове число|масовим числом]] ядра''. Атоми з однаковим ''Z'' (тобто атоми одного і того ж елементу), але з різними ''N'' називаються [[ізотоп]]ами, з однаковими ''A'', але з різними ''Z''&nbsp;— [[Ізобари (ядерна фізика)|ізобарами]], з однаковими ''N'', але з різними ''Z''&nbsp;— [[ізотони|ізотонами]].

Основна відмінність між протоном і нейтроном полягає в тому, що протон&nbsp;— заряджена частинка, заряд якої ''e'' = 4,803×10<sup>−10</sup> од. [[СГС]] = 1,602×10<sup>−19</sup> [[Кулон (одиниця)|Кл]]. Це [[елементарний заряд]], чисельно рівний заряду електрона. Нейтрон же, як і свідчить його назва, електрично нейтральний. [[Спін]]и протона і нейтрона однакові і рівні [[спін]]у електрона, тобто 1/2 (в одиницях [[стала Планка|зведеної сталої Планка]] <math>\hbar</math>). Маси протона і нейтрона майже однакові: 1836,15 і 1838,68 мас електрона відповідно.

Протон і нейтрон не є елементарними частинками. Вони складаються з двох типів [[кварк]]ів&nbsp;— ''d''-кварка із зарядом −1/3 і ''u''-кварка із зарядом +2/3 від елементарного заряду ''е''. Протон складається з двох ''u''-кварків і одного ''d''-кварка (сумарний заряд +1), а нейтрон з одного ''u''-кварка і двох ''d''-кварків (сумарний заряд&nbsp;— 0). Вільний нейтрон&nbsp;— частинка нестабільна. Він розпадається через 15 хвилин після свого виникнення на протон, електрон і анти[[нейтрино]] (див. [[Бета-розпад нейтрона]]). У ядрі нейтрон знаходиться в глибокій потенційній ямі, тому його розпад може бути заборонений законами збереження.

== Методи дослідження та підрозділи ==
Вивчення будови ядра та його складових елементів можливе тільки за допомогою вивчення [[Ядерна реакція|ядерних реакцій]]. Для проведення ядерних реакцій необхідні засоби прискорення й [[Детектор частинок|детектування частинок]]. Тому невід'ємними підрозділами ядерної фізики є фізика [[Прискорювач заряджених частинок|прискорювачів]] і фізика детекторів.

[[Радіаційна фізика]] та [[радіаційне матеріалознавство]] є міждисциплінарними підрозділами фізики, які вивчають вплив ядерного випромінювання на властивості опромінених речовин і методи модифікації властивостей матеріалів за допомогою опромінення.

== Значення ==
Ядерна фізика має принципове значення для багатьох розділів [[астрофізика|астрофізики]] (первинний [[нуклеосинтез]], [[термоядерна реакція|термоядерні реакції]] в [[зоря]]х як під час життя на головній послідовності, так і при сході з неї), і, очевидно, для ядерної енергетики.

== Історія ==

=== Відкриття радіоактивності ===
{{main|Радіоактивність}}
[[Файл:Becquerel plate.jpg|міні|Фотографічна пластинка Беккереля]]
Перше явище з області ядерної фізики було відкрите 1896&nbsp;року [[Антуан Анрі Беккерель|Анрі Беккерелем]]. Це ''природна радіоактивність'' солей [[Уран (хімічний елемент)|урану]], що виявляється у спонтанному випромінюванні невидимого проміння, здатного викликати іонізацію повітря і почорніння фотоемульсій. Через два роки [[П'єр Кюрі]] і [[Марія Склодовська-Кюрі]] відкрили радіоактивність [[торій|торію]] і виділили з солей урану [[полоній]] і [[радій]], радіоактивність яких виявилася в мільйони раз сильнішою за радіоактивність [[Уран (хімічний елемент)|урану]] і [[торій|торію]].

Детальне експериментальне вивчення радіоактивних випромінювань було проведено [[Ернест Резерфорд|Резерфордом]]. Він показав, що радіоактивні випромінювання складаються з трьох типів проміння, названих, відповідно α—, β— і γ-променями. [[Бета-частинки|Бета-промені]] складаються з негативних електронів, [[Альфа-частинка|альфа-промені]]&nbsp;— з позитивно заряджених частинок ([[альфа-частинка|альфа-частинок]], які, як з'ясувалося дещо пізніше, є ядрами [[гелій|гелію-4]]), [[гамма-промені]] аналогічні [[Рентгенівське випромінювання|променям Рентгена]] (не мають заряду), тільки значно жорсткіші, тобто з меншою довжиною хвилі.

=== Відкриття атомних ядер ===
{{main|Ядро атома}}
[[Файл:Geiger-Marsden experiment expectation and result.svg|міні|Схема експерименту, завдяки якому була встановлена будова атому]]
У 1911—1913 році Резерфорд разом з [[Ганс Вільгельм Гейгер|Гансом Гейгером]] і [[Ернест Марсден|Ернестом Марсденом]] проводять експеримент з обстрілювання альфа-частинками золотої фольги, завдяки якому стало зрозуміло, що більша частина маси атому сконцентрована в його ядрі, а електрони обертаються навколо нього. Така модель отримала назву [[планетарна модель атома|планетарної]].

Паралельно з теорією атомного ядра, розвивалася [[квантова теорія]]. 1900 року була опублікована робота [[Макс Планк|Макса Планка]], присвячена тепловому випромінюванню тіл. Ця робота стала першою, у якій було висловлене припущення про те, що енергія може випромінюватися лише порціями, ''квантами''. Саме квантова теорія дозволила позбутися протиріч у планетарній моделі Резерфорда, згідно з якими електрони мали б дуже швидко впасти на ядра, що привело до появи у 1913 році [[Постулати Бора|атомної моделі Бора]]<ref name="nuclphys">[http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/xx1.htm Введение в ядерную физику]{{ref-ru}}</ref>.

=== Відкриття ядерних реакцій ===
У 1919 році, продовжуючи експерименти з альфа-частинками, Резерфорд відкрив, що при бомбардуванні [[азот]]у альфа-частинками, з нього вилітають позитивно заряджені частинки, маса яких майже в 2000 разів більша за масу електронів. Пізніше було показано, що позитивно заряджені частинки вилітають і з інших атомів. Ці частинки отримали назву ''[[протон]]и''. Ядерна реакція з азотом, що її спостерігав Резерфорд, може бути записана як
: <sup>14</sup>N + α → <sup>17</sup>O + p
Ця реакція була першим доведеним випадком перетворення одного елементу на інший.
Також, завдяки цим експериментам було доведено, що атомні ядра не є елементарними, а протони були ідентифіковані як їх складові частини<ref name="nuclphys"/>.
 
У 1928 році [[Гамов Георгій Антонович|Георгієм Гамовим]], [[Рональд Генрі|Рональдом Генрі]] та [[Едвард Кордон|Едвардом Кондоном]] була створена модель альфа-розпаду, яка базувалася на припущенні, що альфа-частинка постійно знаходиться всередині ядра, а ймовірність альфа-розпаду визначається ймовірністю того, що альфа-частинка пройде через кулонівський бар'єр. Ця модель пояснювала сильну залежність ймовірності розпаду від енергії альфа-частинки<ref name="nuclphys"/>. Таким чином, це була перша якісна теорія, що пояснювала динаміку ядерних трансмутацій.

У 1934 Джон Кокрофт і Ернст Волтон винайшли перший [[прискорювач заряджених частинок]], що дозволило досліджувати ядерні реакції, що запускаються частинками з енергією вищою, ніж мають альфа-частинки<ref name="elar"/>.

=== Відкриття нейтронів ===
Довгий час вважалося, що ядро складається з [[протон]]ів і [[електрон]]ів<ref name="elar">[http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/1539/5/1334936_lectures.pdf Введение в физику атомного ядра и физику элементарных частиц]{{ref-ru}}</ref>. Проте така модель знаходилася в суперечності з експериментальними фактами, щодо спінів і [[магнітний момент|магнітних моментів]] ядер. 1930 року, під час опромінення альфа-частинками берилієвої фольги, було зафіксовано випромінювання з великою проникністю, що складалося з нейтральних частинок<ref name="nuclphys" />. 1932 року [[Джеймс Чедвік]] показав, що це випромінювання складається з невідомих раніше частинок, що отримали назву ''[[нейтрон]]и''. Після цього, [[Іваненко Дмитро Олексійович|Дмитро Іваненко]] і [[Вернер Гейзенберг]] незалежно висловили припущення, що нейтрони є складовими частинами ядер, що пізніше отримало експериментальні підтвердження. Протон і нейтрон отримали загальну назву [[нуклон]]ів.

=== Відкриття ядерних сил ===
Протони мають заряд одного знаку, тому на них діють великі кулонівські сили, що намагаються виштовхнути їх з ядер. Той факт, що, попри це, ядра не розпадаються, показує, що між нуклонами існує й інша, ще сильніша взаємодія, що утримує їх разом. Ця взаємодія отримала назву [[сильна взаємодія|сильної]]. У 1934—1937 роках [[Юкава Хідекі|Хідекі Юкава]] створив [[Мезони|мезонну]] модель ядерних сил, побудована на припущенні про те, що нуклони обмінюються ще не відкритими частинками, які було названо ''[[пі-мезон]]и''. Модель Юкави підтвердилася у 1949 року<ref name="elar"/>.

=== Різноманіття ядерних реакцій ===
У 1930-ті роки ядерна фізика активно розвивалася, і було відкрито багато нових процесів, що відбуваються в ядрах: [[Фредерік Жоліо-Кюрі|Фредерік]] і [[Ірен Жоліо-Кюрі]] відкривають штучну радіоактивність, [[Енріко Фермі]] досліджує ядерні реакції, викликані нейтронами, у 1939 році німецькі фізики [[Отто Ган]] і [[Фріц Штрассман]] відривають явище [[поділ ядра|поділу ядра]] урану під дією нейтронів, а у 1940 році [[Фльоров Олексій Павлович|Олексій Фльоров]] і Константин Петржак відкрили спонтанний поділ ядра<ref name="elar"/>.

=== Ядерна зброя ===
[[Файл:Greenhouse George.jpg|міні|Ядерний гриб, що утворився після випробувань ядерної бомби «Джордж»]]
Друга світова війна призвела до спроб знайти військове застосування величезним енергіям, що містило в собі атомне ядро. Відкриття у 1939 році ланцюгової ядерної реакції спонукало великі держави до досліджень урану як джерела такої енергії. Програма Сполучених Штатів Америки під кодовою назвою «[[Мангеттенський проєкт]]» під керівництвом [[Роберт Оппенгеймер|Роберта Оппенгеймера]] першою досягла успіху, створивши діючу атомну бомбу під назвою [[Триніті (випробовування)|«Трініті»]], випробовування якої стало першим в історії. Створенні пізніше атомні бомби «Малюк» і «Товстун» були використані під час війни проти Японії, і [[Ядерне бомбардування Хіросіми і Нагасакі|скинуті на Хіросіму і Нагасакі]]. Цей епізод є, наразі, єдиним випадком використання ядерної зброї у воєнних цілях.

[[Німецька ядерна програма]] розвивалася паралельно з американською, але, через падіння режиму Гітлера, так і не була доведена до кінця.

[[Радянський атомний проєкт]] був повільнішим, і багато в чому спирався на американський, тому СРСР провела перші ядерні випробування лише у 1949 році. Наступні кілька десятиліть супроводжувалися активним нарощуванням ядерних арсеналів. Цей час отримав назву «[[Холодна війна]]».

Також, ядерну зброю розробили деякі інші країни: [[Китай]], [[Велика Британія]], [[Франція]], [[Індія]], [[Пакистан]], [[Південно-Африканська Республіка|ПАР]], і, ймовірно, [[Ізраїль]] та [[Північна Корея]]. У наш час ядерні випробовування, а також виробництво атомної зброї країнами, що її не мають, заборонене [[Договір про нерозповсюдження ядерної зброї|договором про нерозповсюдження ядерної зброї 1968 року]].

=== Атомна енергетика ===
Вперше, [[ядерний реактор]], що виробляє енергію за рахунок ланцюгової реакції був продемонстрований у 1942 році групою фізиків під керівництвом Енріко Фермі, і називався «[[Чиказька дровітня-1|Чиказька дровітня]]». [[Коефіцієнт розмноження нейтронів]] у цьому реакторі дорівнював 1,0006<ref name="osti">[https://www.osti.gov/opennet/manhattan-project-history/Events/1942-1944_pu/cp-1_critical.htm CP-1 GOES CRITICAL]</ref> завдяки чому, хоча потужність реактора і зростала експоненційно, час її подвоювання становив близько хвилини. Максимальна потужність реактора склала близько половини вата<ref name="osti"/>.

Перша у світі [[атомна електростанція]] була побудована в СРСР в 1954 році в місті [[Обнінськ]], [[Калузька область|Калузької області]], і виробляла 5 мегават енергії.

У 2014 році атомні електростанції виробили приблизно 5&nbsp;% усієї спожитої людством енергії<ref>{{Cite web |url=http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf |title=Key world energy statistics |accessdate=2016-12-03 |archive-date=2017-10-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20171013133434/http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf }}</ref>.

=== Термоядерний синтез ===
[[Файл:Nuclear reaction Li6-d.svg|міні|Схема термоядерної реакції літію-6 і [[Дейтерій|дейтерію]]]]
Ідея про те, що при об'єднанні легких ядер у важкі виділяється енергія була висловлена ще в 1920 році Артуром Едінгтоном, який припустив, що саме цей процес є джерелом енергії для зірок (детально цей механізм був описаний Гансом Бете у 1939 році)<ref>[http://articles.adsabs.harvard.edu/full/1920Obs....43..341E The internal constitution of the stars]{{ref-en}}</ref>, а у 1934 році така реакція (злиття ядер дейтерію з утворенням [[тритій|тритію]] або [[Гелій-3|гелію-3]]) була проведена Марком Оліфантом<ref>[http://ethw.org/Mark_Oliphant Mark Oliphant]{{ref-en}}</ref>.

Атомні перегони між СРСР і США спонукали активні дослідження [[ядерний синтез|ядерного синтезу]], як джерела енергії. Військове застосування ці процеси знайшли у [[Термоядерна бомба|водневій бомбі]], перша з яких була випробувана у 1952 році.

Проте, на відміну від реакції поділу урану, що вже через кілька років після винайдення атомної бомби була використана в атомних електростанціях, реакція синтезу не використовується на практиці і дотепер. Хоча перший водневий реактор, що працює на реакції синтезу ([[токамак]] Т-1) був створений ще у 1950 році в СРСР, протягом наступних десятиліть численні проблеми, пов'язані зі стабільністю та співвідношенням затраченої й отриманої енергії так і не були розв'язані до кінця, попри мільярдні інвестиції<ref>[https://geektimes.ru/post/167523/ Термоядерная энергетика: надежда человечества?]{{ref-ru}}</ref>.

Наразі, проєкт [[Міжнародний експериментальний термоядерний реактор|Міжнародного експериментального термоядерного реактора]] (ITER), що будується у Франції, може стати першим, що буде мати позитивний енергетичний баланс. Його запуск заплановано у 2025 році.

=== Важкі баріони та відкриття кварків ===
Завдяки використанню прискорювачів, у 1947 році були відкриті так звані «[[дивність|дивні]]» частинки<ref name="elar"/>, а пізніше&nbsp;— [[Чарівність|чарівні]], і красиві. Відкриття [[антипротон]]а та [[антинейтрон]]а у 1955—1956 роках довело, що кожен [[Баріони|баріон]] (такий, як протон чи нейтрон) має власну античастинку з протилежним значенням [[Електричний заряд|електричного заряду]], [[Магнітний момент|магнітного момента]] та [[Баріонне число|баріонного числа]]. Загальна кількість відомих баріонів активно збільшувалася з розвитком експериментів на прискорювачах, але при цьому, вони природно об'єднувалися в родини зі схожими властивостями, що дозволило припустити, що ці частинки не є елементарними. Пізніші дослідження підтвердили цю гіпотезу: було продемонстровано, що розподіл електричного заряду всередині протона не є рівномірним&nbsp;— у ньому виділяється деяка внутрішня структура. Такі структурні елементи отримали назву [[партони|партонів]].

У 1964 році [[Маррі Гелл-Манн]] і [[Джордж Цвейг]] розробили теорію [[кварк]]ів<ref name="elar"/>. Згідно з нею, кожен баріон складається з трьох частинок, що отримали назву «кварків». Антибаріони складаються з трьох антикварків, а [[мезони]]&nbsp;— з одного кварка та одного антикварка. Кварки мають електричний заряд +2/3 або −1/3 (антикварки, відповідно, −2/3 та +1/3), і спеціальні квантові числа, що були названі [[Аромат (квантове число)|ароматом]] і [[Кольоровий заряд|кольором]]. Кварки не можуть покинути [[адрон]], (цей стан отримав назву [[Кольоровий конфайнмент|конфайнмент]]), і тому нецілі заряди ніколи не спостерігаються в експерименті. Ядерна взаємодія [[Юкава Хідекі|Юкави]] між протонами та нейтронами в цьому описі виявлялася лише відголосом [[Сильна взаємодія|сильної]] взаємодії між кварками, так само як [[Сили Ван дер Ваальса]] є відголосом [[Електромагнітна взаємодія|електромагнітних]].

Таким чином, всі баріони виявлялися комбінаціями п'яти кварків (антибаріони&nbsp;— їх антикварків). Шостий&nbsp;— [[t-кварк]], через свою короткоживучість не встигає утворити адрони. Кваркова модель адронів поклала початок [[Стандартна модель|Стандартній моделі]] [[Фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]].

=== Штучні елементи ===
Довгий час вважалося, що уран, 92-й елемент, є найважчим серед наявних, але у 1940 році було синтезовано елемент номер 93, що отримав назву [[нептуній]]<ref>[http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/3040/нептуний Нептуній]</ref> і був першим штучно синтезованим елементом. Того ж року було синтезовано [[плутоній]]. Протягом наступних років, були синтезовані ще кілька десятків елементів.

На 2016 рік, найважчим з [[трансуранові елементи|трансуранових елементів]] є [[оґанесон]], елемент номер 118, синтезований у 2002 році в [[Дубна|Дубні]].

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* {{книга
 |автор          = [[Булавін Леонід Анатолійович|Булавін Л. А.]], [[Тартаковський Віктор Костянтинович|Тартаковський В. К.]]
 |частина        = 
 |заголовок      = Ядерна фізика
 |оригінал       = 
 |посилання      = 
 |видання        = Знання
 |відповідальний = 
 |місце          = Київ
 |видавництво    = ВТД «Університетська книга»
 |рік            = 2005
 |том            = 
 |сторінки       = 
 |сторінок       = 439
 |isbn           = 966-346-020-2
}}
* {{книга
|автор        = [[Каденко Ігор Миколайович|Каденко І. М.]], [[Плюйко Володимир Андрійович|Плюйко В. А.]]
|заголовок    = Фізика атомного ядра та частинок
|рік          = 2008
|видавництво  = ВПЦ «Київський університет»
|місто        = {{Comment|К.|Київ}}
|сторінок     = 414
}}
* Ядерна фізика: Підруч. / Л.&nbsp;А.&nbsp;Булавін, В.&nbsp;К.&nbsp;Тартаковський.&nbsp;— 2-е вид., переробл. і доповн.&nbsp;— К. : Знання, 2005.&nbsp;— 439 c.&nbsp;— (Вища освіта XXI&nbsp;ст.).
* {{книга
|автор       = Валантэн Л.
|назва       = Субатомная физика: ядра и частицы
|рік         = 1986
|видавництво = Мир
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 272+336
}}
* {{книга
|автор       = Вильдермут К., Тан Я.
|назва       = Единая теория ядра
|рік         = 1980
|видавництво = Мир
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 504
}}
* {{книга
|автор       = Престон М.
|назва       = Физика ядра
|рік         = 1964
|видавництво = Мир
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 576
}}
* Фізика атомного ядра та елементарних частинок: навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / О.&nbsp;С.&nbsp;Мосієвич [та ін.].&nbsp;— Рівне: РДГУ, 2011.&nbsp;— 575 с. : рис., табл.&nbsp;— ISBN 978-617-601-016-6
* {{книга
|автор       = Фрауэнфельдер Г., Хенли Э.
|назва       = Субатомная физика 
|рік         = 1979
|видавництво = Мир
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 736
}}
* {{книга
|автор       = [[Широков Юрій Михайлович|Широков Ю. М.]], [[Юдін Микола Прокопович|Юдин Н. П.]]
|назва       = Ядерная физика 
|рік         = 1980
|видавництво = Наука
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 748
}}

== Посилання ==
* [http://www.jinr.ru/ Об'єднаний інститут ядерних досліджень ОИЯИ.] {{ref-en}} {{ref-ru}}

{{Мовні помилки|дата=липень 2011}}
{{Physics-footer}}
{{Бібліоінформація}}

[[Категорія:Ядерна фізика| ]]