Что такое ядерная физика и чем занимается ядерный физик
Ядерная физика изучает атомные ядра и всё, что с ними происходит: радиоактивный распад, ядерные реакции, взаимодействие частиц. Ядро в десятки тысяч раз меньше всего атома, но в нём сосредоточена почти вся масса.
Ядерный физик исследует свойства ядер и частиц, ставит опыты на ускорителях и реакторах, считает реакции. Такие специалисты работают в научных институтах и лабораториях, на атомных станциях, в медицине (лучевая терапия, диагностика). Начало ядерной физики связывают с открытием радиоактивности в 1896 году и с опытами Резерфорда, после которых появилась модель атома с ядром.
В школе ядерная физика идёт в 9 классе после темы про строение вещества. Задачи в основном простые: прочитать запись символа ядра, посчитать частицы, дописать реакцию, применить период полураспада.
Как устроен атом: опыт Резерфорда и состав ядра
В опыте Резерфорда (1909–1911) тонкую золотую фольгу облучали α-частицами. Почти все частицы проходили насквозь, немногие отклонялись на большие углы, а единицы отскакивали назад.
Вывод: положительный заряд и почти вся масса атома собраны в крошечном ядре, а вокруг него движутся электроны. Если бы положительный заряд был размазан по всему объёму атома, электрическое поле в любой точке было бы слабым, и α-частицы лишь слегка отклонялись бы. Сильное отталкивание, которое разворачивает частицу, возможно только рядом с маленьким плотным ядром. Отрицательные электроны на рассеяние почти не влияют: каждый из них в несколько тысяч раз легче α-частицы и не может заметно изменить её путь. Силы притяжения и отталкивания зарядов разбираются в теме электростатика.
Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. У ядра записывают символ ᴬ_Z X:
- Z — зарядовое число, равно числу протонов (и числу электронов в нейтральном атоме);
- A — массовое число, равно числу нуклонов: A = Z + N;
- N — число нейтронов, N = A − Z.
Для железа ⁵⁶₂₆Fe протонов 26, нейтронов 56 − 26 = 30. Масса ядра в атомных единицах массы примерно равна A.
Радиоактивный распад и период полураспада
Радиоактивные ядра самопроизвольно превращаются в другие, испуская излучение. Различают α-распад (вылетает ядро гелия ⁴₂He), β-распад (вылетает электрон, один нейтрон превращается в протон) и γ-излучение.
Период полураспада T — время, за которое распадается половина имеющихся ядер. Распад каждого отдельного ядра предсказать нельзя, но для большого числа ядер закон работает чётко. Число оставшихся ядер:
N = N₀ ÷ 2^(t ÷ T)
То же верно для массы вещества, которое ещё не распалось.
Разбор задания: сколько вещества образуется за 40 минут
Условие. Изотоп А распадается на стабильный изотоп Б, половина атомов превращается каждые 8 минут. Начальная масса А равна 160 мг. Найти массу Б через 40 минут. Масса при превращении не теряется.
Шаг 1. Период полураспада T = 8 мин. Прошло t = 40 мин, это 40 ÷ 8 = 5 периодов.
Шаг 2. Масса А уменьшилась в 2⁵ = 32 раза: 160 ÷ 32 = 5 мг.
Шаг 3. Остальное превратилось в Б: 160 − 5 = 155 мг.
Ответ: 155 мг.
Проверь по шагам: после 8 минут осталось 80 мг, после 16 — 40, после 24 — 20, после 32 — 10, после 40 — 5. Сходится.
Ещё один частый тип: ядерная реакция ⁴₂He + ⁷₃Li → ᴬ_Z X + ¹₀n. Суммы верхних чисел слева и справа равны: 4 + 7 = A + 1, откуда A = 10. Суммы нижних тоже: 2 + 3 = Z + 0, откуда Z = 5. Это бор ¹⁰₅B, его масса примерно 10 а.е.м.
Где ошибаются чаще всего
- Путают A и Z. Число протонов равно Z, то есть нижнему числу. Верхнее число — это протоны плюс нейтроны. Для ⁵⁶₂₆Fe протонов 26, а не 56.
- Делят время на период неправильно. Если за 5 периодов осталась 1⁄32 часть, нельзя считать, что распалось 5 ÷ 2 вещества. Каждый период массу делят пополам, то есть на 2 в степени числа периодов.
- Отвечают на другой вопрос. В задаче про 40 минут спрашивают массу образовавшегося изотопа Б, а не оставшегося А. Найди 5 мг и вычти из начальной массы.
- Не проверяют сохранение чисел в реакции. Сумма массовых чисел и сумма зарядовых чисел слева и справа должны совпадать. Нейтрон ¹₀n имеет A = 1 и Z = 0, и его нельзя забывать.
Какие задания по теме присылают ученики
Чаще всего это вопросы по опыту Резерфорда и планетарной модели, подсчёт протонов и нейтронов по символу ядра, сравнение масс ядер по массовому числу, дописывание ядерных реакций и задачи на период полураспада. Дальше эта тема продолжается в разделе квантовая физика.
Найди похожее задание в списке выше и сверь ход решения со своим. Если задания нет, сфотографируй своё, и сайт пришлёт решение с пояснениями по шагам.