Ядерна фізика та ядерні реакції

Ядерна фізика - це галузь фізики, що вивчає структуру, властивості та поведінку атомних ядер, взаємодії між нуклонами (протонами та нейтронами), та ядерні реакції. Вона вивчає: структуру ядер - як розподілені нуклони, енергетичні рівні, форми та оболонки, сили, що утримують ядро - сильна ядерна сила, найсильніша з фундаментальних сил, але з коротким радіусом дії, радіоактивність - спонтанні розпади нестабільних ядер (альфа, бета, гамма), ядерні реакції - поділ (розщеплення важких ядер), синтез (об'єднання легких ядер), та захоплення частинок, ядерну енергетику - як використовувати ядерні реакції для вироблення енергії, та застосування - медицина, археологія, енергетика, космологія. Ядерна фізика критично важлива для розуміння природи матерії та енергії, атомної енергетики, та Всесвіту.

Радіоактивність - це спонтанне випромінювання частинок або енергії нестабільними атомними ядрами. Основні типи: альфа (α) розпад - ядро випускає α-частинку (ядро гелію: 2 протони, 2 нейтрони), зменшуючи масове число на 4 та атомний номер на 2. Приклад: ²³⁸U → ²³⁴Th + α, бета мінус (β⁻) розпад - нейтрон перетворюється в протон, випускаючи електрон та антинейтрино. Атомний номер збільшується на 1. Приклад: ¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + ν̄, бета плюс (β⁺) розпад - протон перетворюється в нейтрон, випускаючи позитрон та нейтрино. Атомний номер зменшується на 1. Приклад: ¹¹C → ¹¹B + e⁺ + ν, гамма (γ) розпад - ядро переходить з збудженого стану в нижчий, випускаючи γ-промінь (високоенергетичний фотон). Маса та заряд не змінюються, та поділ - спонтанне або індуковане розщеплення важкого ядра на два менші фрагменти з вивільненням нейтронів та великої кількості енергії.

Ядерний поділ - це реакція, при якій важке ядро (наприклад, урану-235) розщеплюється на два менші ядра після поглинання нейтрона. Процес: нейтрон поглинається ядром урану-235, утворюючи уран-236, який є надзвичайно нестабільним, ядро деформується та розтягується (ядерна крапля стає подовженою), досягає критичної деформації, кулонівська відштовхувальна сила між протонами перевищує ядерну силу, що утримує ядро разом, ядро розщеплюється на два фрагменти приблизно однакового розміру (наприклад, барій та криптон), вивільняються 2-3 вільні нейтрони, які можуть викликати поділ інших ядер (ланцюгова реакція), та вивільняється величезна кількість енергії (~200 MeV на поділ) у вигляді кінетичної енергії фрагментів, нейтронів, та гамма-випромінювання. Ця енергія використовується в атомних реакторах та атомних бомбах.

Ядерний синтез - це реакція, при якій два легкі ядра об'єднуються, утворюючи важче ядро з вивільненням енергії. Для подолання кулонівського відштовхування між позитивно зарядженими ядрами потрібні надзвичайно високі температури (мільйони градусів) та тиск. На Сонці: протон-протонний цикл - чотири протони (водень) об'єднуються в ядро гелію (4He) з вивільненням енергії та нейтрино. Це основний процес вироблення енергії у зірках. На Землі досліджується синтез дейтерію та тритію: ²H + ³H → ⁴He + n + 17.6 MeV. Переваги: величезна енергія, менше радіоактивних відходів, більша безпека. Виклики: потрібні екстремальні умови, контроль реакції, матеріали. Успішне створення термоядерного реактора дасть практично невичерпне джерело енергії. Синтез також відбувається під час вибуху водневих бомб.

Атомні реактори використовують контрольовану ланцюгову реакцію ядерного поділу для вироблення теплоти, яка перетворюється в електричну енергію. Компоненти: паливо - уран-235 або плутоній, що розщеплюється нейтронами, помповувач - графіт або важка вода, що сповільнює нейтрони для збільшення ймовірності поділу, стержні керування - поглинають нейтрони для контролю швидкості реакції (витягування збільшує потужність, вставлення зменшує), охолодження - вода або газ відводять тепло від активной зони до теплообмінників, турбіни - пара обертає турбіни для генерації електрики, та захист - товсті стінки з бетону та сталі захищають від радіації. Процес: поділ урану вивільняє тепло, вода нагрівається та випаровується, пара обертає турбіни, генератори виробляють електрику. Реакція підтримується на критичному рівні (k = 1), де кожен поділ викликає один новий поділ.

Період напіврозпаду (T₁/₂) - це час, необхідний для того, щоб половина атомів радіоактивного ізотопу розпалася. Він є характеристикою кожного радіоактивного ізотопу та не залежить від початкової кількості речовини, температури, тиску, чи хімічного стану. Математично: T₁/₂ = ln(2)/λ, де λ - константа розпаду. Після одного періоду залишається 50% атомів, після двох - 25%, після трьох - 12.5% тощо. Діапазон періодів напіврозпаду дуже широкий: від мікросекунд (наприклад, деякі надважкі елементи) до мільярдів років (наприклад, уран-238 має T₁/₂ = 4.5 мільярдів років). Період напіврозпаду критично важливий для: радіоізотопної датування (визначення віку археологічних знахідок, геологічних порід), медицини (вибір ізотопів з відповідним періодом для діагностики та лікування), безпеки (розрахунок часу небезпеки від радіоактивних матеріалів), та ядерної енергетики (скільки часу паливо залишається корисним).

Енергія зв'язку ядра - це енергія, необхідна для повного розділення ядра на окремі протони та нейтрони, або еквівалентно - енергія, вивільнена при утворенні ядра з окремих нуклонів. Вона виникає через дефект маси: маса ядра менша за суму мас окремих протонів та нейтронів через еквівалентність маси та енергії (E = mc²). Енергія зв'язку на нуклон зростає з масовим числом до заліза-56 (найбільш стабільне ядро), потім зменшується. Це пояснює: чому поділ важких ядер (важче заліза) вивільняє енергію - фрагменти мають більшу енергію зв'язку на нуклон, чому синтез легких ядер (легші за залізо) вивільняє енергію - продукт має більшу енергію зв'язку, та стабільність ядер - ядра з більшою енергією зв'язку більш стабільні. Енергія зв'язку також пояснює, чому ядерні реакції вивільняють набагато більше енергії за хімічні реакції (мільйони разів більше).

Ядерна фізика має багато медичних застосувань: радіоізотопна діагностика - короткоживучі радіоізотопи (наприклад, технецій-99m) вводяться в організм та детектуються для візуалізації органів та виявлення хвороб (ПЕТ-сканування, сцинтиграфія), радіотерапія - використання високоенергетичного випромінювання для знищення ракових клітин. Промені спрямовуються на пухлину, з мінімальним ушкодженням здорової тканини, протонна терапія - протони припиняють свій рух саме в пухлині, що дозволяє кращий контроль дози, радіоімунотерапія - антитіла з прикріпленими радіоізотопами доставляють радіацію безпосередньо до ракових клітин, стерилізація - γ-випромінювання для стерилізації медичного обладнання та ліків, та медична візуалізація - техніки на основі ядерної фізики для МРТ, КТ. Радіоізотопи вибираються за періодом напіврозпаду (достатньо довгий для процедури, але короткий для мінімізації радіації) та типом випромінювання.

Критична маса - це мінімальна кількість розщеплюваного матеріалу (наприклад, урану-235), необхідна для підтримання самопідтримуючої ланцюгової реакції. При поділі ядра урану вивільняються 2-3 нейтрони. Для самопідтримуючої реакції: хоча б один з цих нейтронів повинен викликати новий поділ. Якщо маса менша за критичну, занадто багато нейтронів вилітає назовні, перш ніж викликати поділ, і реакція згасає (підкритична). Якщо маса критична, в середньому один нейтрон викликає новий поділ, підтримуючи стабільну реакцію (k = 1). Якщо маса більша за критичну, більше одного нейтрона викликає нові поділи, і реакція прискорюється (надкритична, неконтрольована - атомна бомба). Критична маса залежить від: типу матеріалу, форми (сферична має найменшу критичну масу), наявності помповувача (зменшує критичну масу), та наявності відбивача (повертає нейтрони). У реакторах реакція контролюється через стержні керування.

Перспективи включають: реактори IV покоління - покращені реактори з кращою ефективністю, меншими відходами, вищою безпекою, термоядерний синтез - контрольований синтез як практичне джерело енергії (ITER, майбутні проєкти), малі модульні реактори - компактніші, безпечніші, простіші у використанні, реактори на швидких нейтронах - можуть використовувати більшість урану, не тільки U-235, переробка відходів - зменшення обсягу та радіоактивності відходів, покращення безпеки - нові конструкції з пасивними системами безпеки, талерантні до помилок, та інтеграція з відновлюваними джерелами - ядерна енергія як стабільна основа для непостійних джерел (сонце, вітер). Ядерна енергетика може бути важливою частиною рішення проблеми зміни клімату через низькі викиди вуглецю, але потребує подолання викликів безпеки та відходів.