ПРЕДИСЛОВИЕ

Мой сорокапятилетний опыт преподавания на кафедре радиохимии химического факультета МГУ им. Ломоносова однозначно свидетельствует не просто о полезности, а о необходимости внедрения в сознание химиков (а первую очередь – радиохимиков) сведений об атомном ядре, его превращениях и его реакциях с элементарными частицами, в первую очередь – нейтронами. В первую очередь это касается мировоззренческих аспектов: культурный человек обязан разбираться в особенностях всех известных в настоящее время уровнях строения материи. Но и чисто прикладные аспекты не менее важны. Во-первых, радиохимики работают с радиоактивными изотопами, а часто – с радиоактивными элементами, вообще не имеющими стабильных изотопов. Регулярно они работают бок о бок с физиками – ядерщиками, выделяя и очищая продукты ядерных реакций. Поэтому полезно знать, откуда что берётся. Химикам, использующим стабильные изотопы в качестве меченых атомов, так же не мешало бы знать, как именно, по каким именно ядерным реакциям эти изотопы были получены. Во-вторых, в настоящее время химики достаточно широко применяют ядерно-физические методы исследования вещества. Здесь реализуется возможность использования информации, полученной на ядерном уровне, для получения сведений об эффектах атомных и молекулярных уровней. Известны такие способы, как метод гамма-резонансной спектроскопии (эффект Мессбауэра), аннигиляция позитронов, позитронная томография, эманационно-термический анализ, диффузионная томография и др. Сюда же можно отнести ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс и др. Без элементарных знаний по ядерной физики интерпретировать результатов этих методов невозможно, а информация, получаемая ядерно-физическими методами, часто очень полезна для химиков. А иногда и уникальна.

Существующие пособия по ядерной физике трудны для химиков и зачастую содержат много лишней информации. Поэтому я взял на себя труд написания специального учебного пособия, адаптированного к знаниям и потребностям химиков-радиохимиков. Данное пособие входит в пакет учебников, предназначенных для подготовки радиохимиков. Он представлен в Интернете на моём сайте profbeckman@narod.ru: «Радиохимия», «Ядерная индустрия», «Экологическая радиохимия и радиоэкология», «Радиоактивность и радиация», «Радиоактивные элементы», «Методы регистрации ионизирующих излучений», «Метод радиоактивных индикаторов в химии», «Экологическая радиохимия и радиоэкология», «Ядерная медицина и медицинская радиохимия», «Обработка и интерпретация результатов радиохимического эксперимента» и др.

В курсе даны элементы теории строения атома, модели строения ядра (капельная и оболочечная), довольно детально описано явление радиоактивности (помимо традиционных видов распада рассмотрен и кластерный распад), рассмотрена кинетика процессов распада и накопления цепочек генетически связанных радионуклидов. Значительное внимание уделено ядерным взаимодействиям: рассмотрены их механизмы и даны примеры различных видов ядерных реакций. Большая часть курса посвящена вынужденному делению ядер, цепным процессам деления, а также реакциям термоядерного синтеза. Рассмотрены виды ионизирующих излучений и их источники, свойства изотопов, методы их получения, разделения и очистки. Дано описание различных видов взаимодействия (поглощение и отражение) излучений с веществом (включая ионные пучки). Заключительная часть пособия посвящена анализу роли ядерных реакций в Космосе, в ядерном оружии, атомном реакторе и анализе вещества.

В первую очередь курс предназначен для студентов ВУЗов, специализирующихся в области ядерной физики, радиохимии, ядерной индустрии и радиоэкологии. Отдельные части курса могут быть полезны аспирантам и профессионалам, желающим повысить свою квалификацию. Возможно, что какие-то аспекты курса привлекут внимание широкого круга читателей, интересующихся атомным ядром, процессами, происходящими на ядерном уровне атома и ядерными реакциями.

ВВЕДЕНИЕ

Ядерная физика - раздел физики, изучающий структуру, свойства и превращения атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции) друг с другом или элементарными частицами.

В ядерных исследованиях задействованы элементарные частицы, но физика элементарных (субядерных) частиц – совершенно самостоятельная наука и здесь рассматриваться не будет. Явление радиоактивности тоже не относится в полной мере к ядерной физике, но мы им займёмся, поскольку это явление интересно для радиохимиков. Техника ядерной физики (ускорители, реакторы, источники излучений, детекторы излучений) относится у ядерной физике, но в Пособии она затронута поверхностно, так как вполне самостоятельный раздел заслуживает отдельного описания.

Различают ядерную физику низких, промежуточных и высоких энергий. К ядерной физике низких энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200 МэВ. Энергии от 200 МэВ до 1 ГэВ называются промежуточными, а свыше 1 ГэВ - высокими. Обширной составной частью ядерной физики низких энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодой областью ядерной физики является изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых ядер, так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом.

Важной частью ядерной физики является нейтронная физика. Она занимается ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Поскольку нейтрон электрически нейтрален, электронное поле ядра-мишени не отталкивает его; поэтому даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизится к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы. Нейтронная физика исследует также взаимодействие очень медленных нейтронов с веществом (энергия таких нейтронов порядка 0,01 эВ и меньше). Получаемые в этих исследованиях данные по рассеянию нейтронов веществом используются для выявления атомной структуры и характера движения атомов в различных кристаллах, жидкостях и отдельных молекул.

Ядерная физика делится на экспериментальную и теоретическую. Арсенал экспериментальных средств ядерной физики разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов, а также мезонов и гиперонов), ядерные реакторы, служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования компьютеров, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой. Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.

Теоретическая ядерная физика «работает» с моделями атомного ядра и ядерных реакций; она опирается на фундаментальные физические теории, созданные в процессе исследования физики микромира. Для теоретической ядерной физики характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Здесь широко используются методы математической физики. Центральная проблема теоретической ядерной физики - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др.

Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед ядерной физикой проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Ядерная физика оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения разнообразны - от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

Рекомендованная литература

1. К.Н.Мухин. Введение в ядерную физику.Атомиздат, М. 1965
2. А.Н.Мурин. Физические основы радиохимии. М.: Высшая школа, 1971.
3. М.Кюри Радиоактивность, Изд-во физ-мат. Литературы, М. 1960.
4. К.Вандекастеле. Активационный анализ с использованием заряженных частиц. М.: Изд. “Мир”, 1991.
5. Э. Ферми "Ядерная физика", пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная литература", 1951 г.
6. В.Е. Левин "Ядерная физика",Москва, Атомиздат, 1985 г.
7. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик "Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах", Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.
8. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский "Радиационные характеристики облученного ядерного топлива", справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.
9. Г. Боуэн, Д. Гиббонс Радиоактивационный анализ, Атомиздат, Москва, 1968