Primer lesson: ядерні реакції

Ядерні реакції та радіоактивність

Ядерні реакції включають зміни в ядрі атома і часто призводять до випромінювання радіації. Ці процеси є фундаментальними для ядерної фізики та мають як практичне застосування, так і природні явища. Розуміння типів ядерних реакцій, у тому числі радіоактивності, дає змогу зрозуміти, як генерується енергія в зірках, як датуються стародавні артефакти та принципи, що лежать в основі ядерної енергії та зброї.

Типи ядерних реакцій

Існує кілька основних типів ядерних реакцій: синтез, поділ і радіоактивний розпад. Термоядерний синтез передбачає об’єднання легших ядер з утворенням важчого ядра з вивільненням енергії. Поділ — це розщеплення важкого ядра на більш легкі, також з виділенням енергії. Радіоактивний розпад — це спонтанний процес, під час якого нестабільне атомне ядро втрачає енергію, випускаючи радіацію.

Розуміння радіоактивності

Радіоактивність — це природний процес, під час якого нестабільні атомні ядра спонтанно розпадаються, утворюючи стабільні ядра, вивільняючи при цьому енергію у вигляді випромінювання. Існує три основні типи випромінювання: альфа (α) частинки, бета (β) частинки та гамма (γ) промені .

Альфа-частинки - це ядра гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів. Вони заряджені позитивно, і їх можна зупинити аркушем паперу.
Бета-частинки - це електрони або позитрони, що швидко рухаються. Вони мають більшу проникаючу здатність, ніж альфа-частинки, і для блокування потрібен металевий лист.
Гамма-промені є формою електромагнітного випромінювання, подібного до рентгенівського, але з більшою енергією. Вони мають найвищу проникаючу здатність і можуть бути зупинені тільки товстим свинцем або бетоном.

Радіоактивний розпад — це випадковий процес на рівні окремих атомів, тобто неможливо точно передбачити, коли розпадеться конкретний атом. Однак для великої кількості атомів швидкість розпаду можна описати статистичним показником, відомим як період напіврозпаду .

Період напіврозпаду ізотопу - це час, необхідний для розпаду половини радіоактивних атомів у зразку. Він позначається символом \(T_{1/2}\) і значно відрізняється для різних ізотопів. Наприклад, період напіврозпаду вуглецю-14 ( \(^{14}\textrm{C}\) ) становить приблизно 5730 років, тоді як період напіврозпаду урану-238 ( \(^{238}\textrm{U}\) ) становить близько 4,5 мільярдів років.

Рівняння, що визначають радіоактивний розпад

Швидкість розпаду радіоактивної речовини прямо пропорційна кількості присутніх радіоактивних атомів. Це співвідношення описується математично рівнянням:

\( -\frac{dN}{dt} = \lambda N \)

де:

\(N\) - кількість нерозпалися атомів,
\(t\) - час,
\(\lambda\) — константа розпаду, унікальна для кожного радіоактивного ізотопу.

Інтегруючи це диференціальне рівняння, ми отримуємо експоненціальний закон розпаду:

\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)

де \(N_0\) - початкова кількість речовини. Це рівняння демонструє експоненціальну природу радіоактивного розпаду, коли кількість матеріалу, що не розпався, експоненціально зменшується з часом.

Застосування та приклади

Радіоактивність має кілька важливих застосувань:

Вуглецеве датування: вчені використовують відомий період напіврозпаду вуглецю-14, щоб датувати стародавні біологічні матеріали, як-от артефакти та скам’янілості, шляхом вимірювання решти \(^{14}\textrm{C}\) у зразках.
Медична візуалізація та лікування. Радіоактивні ізотопи використовуються в медичній діагностиці (наприклад, ПЕТ-сканування) і лікуванні (наприклад, променева терапія раку).
Ядерна енергетика: контрольований розподіл урану в ядерних реакторах генерує тепло, яке перетворюється на електрику. Цей процес заснований на принципах радіоактивного розпаду.

Досліди з радіоактивності

Кілька ключових експериментів розширили наше розуміння радіоактивності. Одним з історичних прикладів є експеримент Ернеста Резерфорда із золотою фольгою, який використовував альфа-частинки для дослідження структури атома. Цей експеримент дав докази існування атомного ядра.

У навчальних закладах радіоактивність можна продемонструвати за допомогою безпечних радіоактивних джерел і детекторів. Наприклад, студенти можуть виміряти період напіврозпаду відомого радіоактивного зразка за допомогою лічильника Гейгера для виявлення випромінюваного випромінювання та побудови кривої розпаду з часом.

Радіоактивність у різних формах і застосуваннях є фундаментальною концепцією ядерної фізики, яка дає змогу зрозуміти сили, які утримують ядро разом, і процеси, які можуть змінювати атомні ядра. Його вивчення призвело до значних успіхів у науці, техніці та медицині.