1. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Физика элементарных частиц – сравнительно молодая область физической науки. Она выделилась из ядерной физики в пятидесятые годы двадцатого века. Предположение о дискретности строения вещества появилось еще в античности. Тогда же появился и термин "атом", что в переводе на русский язык означает неделимый. Этот термин сохраняется сегодня в науке чисто традиционно, поскольку современной физике известно множество субатомных (то есть - составляющих атомы) частиц. Некоторые из этих частиц, прежде всего - электрон, протон, нейтрон и фотон, - нам уже знакомы.

СЦИНТИЛЛЯЦИЯ (от лат. scintillatio — мерцание), кратковременная вспышка люминесценции, возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений (например, быстрых электронов).

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР (сцинтилляционный спектрометр) - прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на возбуждении заряженными частицами в ряде веществ световых вспышек (сцинтилляций), которые регистрируются фотоэлектронными умножителями. Сцинтилляционные детекторы обладают высокой эффективностью регистрации нейтронов и γ-квантов и быстродействием. Используются в телевизорах (светящийся при работе экран). Э. Резерфорд применил в опытах по рассеянию α- частиц.

Газоразрядный счетчик Гейгера.

Он используется, в основном, для регистрации электронов и γ-квантов. Основа счетчика Гейгера - трубка, заполненная газом и снабженная двумя электродами, на которые подается высокое напряжение. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Когда элементарная частица пролетает сквозь счетчик, она ионизирует газ, и ток через счетчик очень резко возрастает. Образующийся при этом на нагрузке импульс напряжения подается к регистрирующему устройству.

Если счетчик Гейгера позволяет лишь фиксировать факт появления частицы, то камера Вильсона и пузырьковая камера дают возможность наблюдать след, который оставляют пролетающие частицы. Камеру Вильсона заполняют парами воды или спирта, а затем создают условия, в которых пар становится пересыщенным. Для этого резко опускают поршень, вызывая адиабатическое расширение пара. Элементарная частица, пролетая сквозь такую камеру, образует вдоль своей траектории ионы, которые затем выступают как центры конденсации: в них образуются капельки воды. Таким образом, частица оставляет за собой след, или как говорят, трек. Подобный след оставляет высоко летящий в небе самолет. Снимки этих капель и дают информацию о траектории частиц Действие пузырьковых камер основано на том, что они заполнены перегретой жидкостью, в которой появляются маленькие пузырьки пара на ионах, возникающих при движении быстрых частиц. Если фотоэмульсия содержит мельчайшие кристаллы бромистого серебра, то его атомы ионизируются при пролете элементарной частицы. Затем, когда фотопластинку проявляют, происходит химическая реакция восстановления серебра, и треки частиц становятся видимыми.

2. Радиоактивность

Изучая действие люминесцирующих веществ на фотопленку, французский физик Антуан Беккерель обнаружил неизвестное излучение. Он проявил фотопластинку, на которой в темноте некоторое время находился медный крест, покрытый солью урана. На фотопластинке получилось изображение в виде отчетливой тени креста. Это означало, что соль урана самопроизвольно излучает. За открытие явления естественной радиоактивности Беккерель в 1903 году был удостоен Нобелевской премии. РАДИОАКТИВНОСТЬ – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы: Всякий самопроизвольный радиоактивный распад экзотермичен, то есть происходит с выделением тепла.
АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. Содержит два протона и два нейтрона. Испусканием a-частиц сопровождается одно из радиоактивных превращений (альфа-распад ядер) некоторых химических элементов.
БЕТА-ЧАСТИЦА испускаемый при бета-распаде электрон. Поток бета-частиц является одним из видов радиоактивных излучений с проникающей способностью, большей, чем у альфа-частиц, но меньшей, чем у гамма-излучения. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (гамма-кванты) – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м. Из-за малой длины волны волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, и на первый план выступают корпускулярные свойства, в связи с чем его представляют в виде потока гамма-квантов (фотонов). Время, за которое распадается половина из начального числа радиоактивных атомов, называют периодом полураспада. За это время активность радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Период полураспада, определяется только родом вещества и может принимать разные значения - от нескольких минут до нескольких миллиардов лет. ИЗОТОПЫ – это разновидности данного химического элемента, различающиеся массовым числом своих ядер. Ядра изотопов одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Имея одинаковое строение электронных оболочек, изотопы обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако по физическим свойствам изотопы могут различаться весьма резко.  Все три составляющие радиоактивного излучения, проходя через среду, взаимодействуют с атомами среды. Результатом этого взаимодействия является возбуждение или даже ионизация атомов среды, что в свою очередь инициирует протекание различных химических реакций. Поэтому радиоактивное излучение обладает химическим действием. Если же радиоактивному излучению подвергнуть клетки живого организма, то протекание реакций, инициированных радиоактивным излучением, может привести к образованию веществ, губительных для данного организма и в конечном итоге – к разрушению тканей. По этой причине воздействие радиоактивного излучения на живые организмы губительно. Большие дозы излучения могут привести к серьезным заболеваниям или даже к смерти. 3. Ядерные реакции ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – это превращения атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами. Для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы сблизились на расстояние порядка 10–15 м. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения энергии, импульса, электрического и барионного зарядов. Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением кинетической энергии, причем эта энергия примерно в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при химических реакциях.

Открытие нейтрона Д.Чедвиком в 1932 году

В 1932 году немецкий физик В. Гейзенберг и советский физик Д.Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов.

  Ядерные силы очень мощные, но очень быстро убывают с увеличением расстояния. Они являются проявлением так называемого сильного взаимодействия. Особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер: они проявляются на расстояниях порядка размера самого ядра. Физики в шутку называют ядерные силы "богатырем с короткими руками". Минимальную энергию, необходимую для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи ядра. Эта энергия равна разности суммарной энергии свободных нуклонов и полной энергии ядра. Таким образом, суммарная энергия свободных нуклонов больше полной энергии ядра, состоящего из этих нуклонов. Очень точные измерения позволили зафиксировать тот факт, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов на некоторую величину, называемую дефектом массы. Удельная энергия связи характеризует устойчивость ядер. Удельная энергия связи равна отношению энергии связи к массовому числу и характеризует устойчивость ядра. Чем больше удельная энергия связи, тем более устойчивым является ядро. График зависимости удельной энергии связи от количества нуклонов в ядре имеет слабо выраженный максимум в интервале от 50 до 60. Это говорит о том, что ядра со средними значениями массовых чисел, такие как железо, являются самыми устойчивыми. Легкие ядра обладают тенденцией к слиянию, а тяжелые к разделению. 

Примеры ядерных реакций.

Цепные ядерные реакции. Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~108 К и выше). При этом вещество находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Необходимость высоких температур объясняется тем, что для слияния ядер в термоядерной реакции необходимо, чтобы они сблизились на очень малое расстояние и попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ядрами. Чтобы их преодолеть, ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. После начала протекания термоядерной реакции вся энергия, потраченная на разогрев смеси, компенсируется энергией, выделяющейся в ходе протекания реакции.
4. Ядерная энергетика. Использование ядерной энергии – важная научно-практическая задача. Устройство, позволяющее осуществлять управляемую ядреную реакцию, называют ядерным реактором. Коэффициент размножения нейтронов в реакторе поддерживается равным единице посредством введения или выведения из реактора регулирующих стержней. Эти стержни изготавливают из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, - из кадмия, бора или графита. Основными элементами ядерного реактора являются: – ядерное горючее: уран-235, плутоний-239; – замедлитель нейтронов: тяжелая вода или графит;  – теплоноситель для отвода выделяющейся энергии; – регулятор скорости ядерной реакции: вещество, поглощающее нейтроны (бор, графит, кадмий).

Установка ТОКАМАК

ТОКАМАК - ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками, применяется для использования термоядерной энергии:
1- сердечник трансформатора; 2 – вакуумная камера; 3 – первичная обмотка; 4 - управляющие витки; 5 – обмотка тороидального поля.

Последствия применения ядерного оружия, как и последствия катастроф на ядерных реакторах, не ограничиваются огромными разрушениями. Зная, что период полураспада многих радиоактивных элементов длится многие сотни, тысячи, миллионы и даже миллиарды лет, можно представить себе, насколько долго сохранится радиоактивное загрязнение в районе ядерного взрыва. В случае же массированного применения ядерного оружия все живое на нашей планете может погибнуть.